Ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων μέτρησης ραδιονουκλιδίων με μετρητή ολόσωμης ακτινοβολίας

Abstract

Background informationWhole Body Counters (WBC) are widely used for biomedical and radiation protection purposes, aiming at the detection and quantification of gamma emitting, radionuclides located in the body and in some cases the determination of their bio-distribution. The measured radionuclides are present in the organism either as naturally occurring ones or as a result of medical procedures or as contamination material that entered into the living organism through various pathways, e.g. intravenous injection, inhalation, ingestion. A prototype, shadow shield, moving bed WBC was installed at the University of Ioannina Medical Physics Laboratory. Radiation detection is carried out by fourteen cylindrical NaI(Tl) detectors with nominal dimensions 15.7 cm × 5.0 cm, located in groups of seven above and below the examination bed and two cylindrical NaI(Tl) detectors with nominal dimensions 29.2 cm × 10.2 cm located in special recesses on the right and on the left sides of the scanning bed.Scope of the studyScope of the present study was the detailed investigation of the parameters affecting the WBC measurement precision and accuracy and the development and implementation of methods to improve them. A novel counter calibration method was developed based on mathematical modeling of the counter and phantom configuration. The improved WBC effectiveness was tested by measurements carried out in volunteers.MethodMeasurements were conducted on anthropomorphic phantoms composed of plastic bottles that contained 40Κ, 137Cs and 99mTc solutions in water and a set of 50 adult volunteers of various ages and body structures. Measurements were supported by Monte Carlo simulations of the WBC system performed using MCNP code. The accuracy of the MCNP calculations were tested against experimental results in physical phantoms and agreement was observed with theoretical predictions. ResultsPreliminary measurements carried out on a healthy individual with estimated total body potassium of 143g showed short-term coefficient of variation of 5.3%, approximately two times higher than the corresponding theoretical value. It was found that the poor measurement precision correlated with the variation of radon and its daughter products concentration in the air of the counting room. Two methods were developed to improve precision. First, a correction factor was applied on the registered counts in the regions of interest (RoI) based on the measured counts found in the 1764 keV (214Bi presented) spectrum area. Second, a ventilation system was installed in the WBC room, aiming at the reduction and stabilization of radon levels in the area. As a result, the measurements coefficient of variation of both phantoms and individuals was decreased to 2.96%. Different gamma spectrum analysis methods were studied for the determination of the registered counts in the areas around the 661 keV and 1460 keV peaks. It was found that in measurements of low level radioactivity, the optimal precision was obtained by simple summing of the counts in the regions of interest, using a symmetrical window of 1.23 times FWHM and 1.28 times FWHM width for the two peaks respectively. It was found that the counter detection performance was reduced when the system dead time is higher than 25%.Simulations, performed to study the WBC efficiency dependence with the examinee body size and checked with experimental measurements in phantoms, showed differences in the detection efficiency of photons of 662 keV and 1460 keV energy, according to the body size, that approximate 35% and 24% respectively. Moreover, it was found that extreme alterations in the body density led to efficiency variations of 4.5% for 1460 keV photon detection.The developed methods were applied for in vivo measurements of 51 adult volunteers for the determination of the total body 40Κ and 214Bi quantity in the body, in 2 patients who were injected with 153Sm for the determination of long-term radioactive impurities in the provided pharmaceutical and radiation protection measurements in occupationally exposed workers.ConclusionsIt was found that the system precision was affected by the variation of radon and its daughter products air activity concentration variation in the WBC room. Implementation of both room ventilation and semi-empirical correction factor derived by Monte Carlo simulations of the WBC and phantom system improved significantly the coefficient of variation the measurement of 40K in adult volunteers.Optimal precision results were achieved by simple summing of the counts in the regions of interest, using a symmetrical window of 1.23 times FWHM and 1.28 times FWHM width for the 137Cs and 40K peaks respectively. It was also found that the counter detection performance was reduced when the system dead time is higher than 25% and therefore an upper count-rate detection level was set. The system simulations showed differences in the detection efficiency of photons of 662 keV and 1460 keV energy, according to the body size, that approximate 35% and 24% respectively, whereas extreme alterations in the body density result in efficiency variations of 4.5% for 1460 keV photon detection.The improved prototype Ioannina WBC was used for the measurement of whole body potassium of adult volunteers, detection and quantification of radioactive impurities in 153Sm treated patients and evaluation of 99mTc contamination in occupationally exposed hospital personnel.

ΕισαγωγήΟι Μετρητές Ολόσωμης Ακτινοβολίας (ΜΟΑ) χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιοϊατρικές εφαρμογές και στην ακτινοπροστασία, με σκοπό την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση ραδιονουκλιδίων που εντοπίζονται στο σώμα και εκπέμπουν γ ακτινοβολία και ενίοτε για τον προσδιορισμό της βιοκατανομής τους. Τα ανιχνευόμενα ραδιονουκλίδια εντοπίζονται ως φυσικά συστατικά, ως αποτέλεσμα ιατρικών πράξεων ή ως στοιχεία ραδιενεργού ρύπανσης, εισερχόμενα στον οργανισμό μέσω διαφόρων οδών όπως π.χ. μέσω ενδοφλέβιας χορήγησης, εισπνοής ή κατάποσης. Στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (ΕΙΦΠΙ) βρίσκεται εγκατεστημένος πρότυπος ΜΟΑ τύπου εγγύς θωράκισης με σάρωση κλίνης. Η ανίχνευση της ακτινοβολίας γίνεται μέσω δεκατεσσάρων κυλινδρικών ανιχνευτών NaI(Tl), ονομαστικών διαστάσεων 15.7 cm × 5.0 cm, που βρίσκονται τοποθετημένοι σε δύο ομάδες επάνω και κάτω από την εξεταστική κλίνη καθώς και δύο κυλινδρικών ανιχνευτών NaI(Tl), ονομαστικών διαστάσεων 29.2 cm × 10.2 cm, που είναι τοποθετημένοι σε ειδικές εσοχές δεξιά και αριστερά της κινούμενης κλίνης. Αντικείμενο εργασίαςΣκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η λεπτομερής διερεύνηση των παραμέτρων που επηρεάζουν την αξιοπιστία και την ακρίβεια των μετρήσεων του ΜΟΑ και η ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων για τη βελτίωση τους. Αναπτύχθηκε μέθοδος βαθμονόμησης, η οποία βασίστηκε σε μαθηματική προσομοίωση του μετρητή και των ομοιωμάτων. Η βελτιωμένη λειτουργικότητα του ΜΟΑ ελέγχθηκε μέσω μετρήσεων σε εθελοντές.ΜέθοδοςΔιενεργήθηκαν μετρήσεις σε ανθρωπόμορφα ομοιώματα, τα οποία δομήθηκαν από πλαστικά δοχεία που περιείχαν υδατικά διαλύματα 40Κ, 137Cs και 99mTc, καθώς επίσης και σε 50 περίπου ενήλικους εθελοντές διαφόρων ηλικιών και σωματικών δομών. Οι μετρήσεις υποστηρίχθηκαν από προσομοίωση Monte Carlo με χρήση του κώδικα MCNP. Η ακρίβεια των υπολογισμών του κώδικα ελέγχθηκε έναντι αποτελεσμάτων που προέκυψαν από πειραματικές μετρήσεις σε φυσικά ομοιώματα. Παρατηρήθηκε συμφωνία μεταξύ πειραματικών και θεωρητικών αποτελεσμάτων.ΑποτελέσματαΠροκαταρκτικές μετρήσεις σε υγιείς εθελοντές με εκτιμώμενη ποσότητα ολόσωμου καλίου 143 g, παρουσίασαν βραχύχρονο συντελεστή μεταβλητότητας 5.3%, ο όποιος ήταν περίπου δύο φορές μεγαλύτερος από τον αναμενόμενο θεωρητικά. Βρέθηκε ότι η χαμηλή αξιοπιστία των μετρήσεων συσχετίζεται με τη μεταβλητότητα της συγκέντρωσης ραδονίου και των θυγατρικών του προϊόντων στον αέρα του δωματίου του μετρητή. Αναπτύχθηκαν δύο μέθοδοι για την βελτίωση της αξιοπιστίας. Εφαρμόστηκε διορθωτικός συντελεστής στο καταγραφόμενο σήμα των αντίστοιχων περιοχών ενδιαφέροντος, ο οποίος βασίστηκε στους μετρούμενους παλμούς που καταγράφονται στην ενεργειακή περιοχή των 1764 keV (υπό την παρουσία 214Bi). Εγκαταστάθηκε σύστημα αερισμού στο δωμάτιο του μετρητή στοχεύοντας στη μείωση και τη σταθεροποίηση των επιπέδων ραδονίου στο χώρο. Ο συντελεστής μεταβλητότητας των μετρήσεων σε ομοιώματα και εθελοντές μειώθηκε στο 2.96%.Μελετήθηκαν εναλλακτικές μέθοδοι ανάλυσης φασμάτων για τον προσδιορισμό των καταγραφόμενων παλμών στις περιοχές των κορυφών των 661 keV και 1460 keV. Βρέθηκε ότι για μετρήσεις χαμηλών επιπέδων ραδιενέργειας, η βέλτιστη αξιοπιστία επιτεύχθηκε με απλή άθροιση των παλμών στις περιοχές ενδιαφέροντος με χρήση συμμετρικών παραθύρων πλάτους 1.23 φορές το FWHM και 1.28 φορές το FWHM για τις δύο κορυφές, αντίστοιχα. Βρέθηκε πειραματικά ότι η ανιχνευτική απόδοση του μετρητή μειώνεται όταν ο νεκρός χρόνος του συστήματος είναι μεγαλύτερος από 25%. Προσομοιώσεις που διενεργήθηκαν για τη μελέτη της εξάρτησης της ανιχνευτικής απόδοσης του ΜΟΑ από το σωματότυπο και ελέγχθηκαν με πειραματικές μετρήσεις σε ομοιώματα, έδειξαν διαφορές στη ανιχνευτική απόδοση φωτονίων 662 keV και 1460 keV σε σχέση με το σωματότυπο ως και 35% και 24% αντίστοιχα. Βρέθηκε επίσης ότι ακραίες μεταβολές της πυκνότητας του σώματος οδηγούν σε μεταβολή της απόδοσης της τάξης του 4.5% κατά την ανίχνευση φωτονίων ενέργειας 1460 keV.Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν, εφαρμόστηκαν σε in vivo μετρήσεις 50 ενηλίκων εθελοντών για τον προσδιορισμό της ολόσωμης ποσότητας 40Κ και 214Bi, σε δύο ασθενείς στους οποίους είχε χορηγηθεί ενδοφλέβια ποσότητα 153Sm για τον προσδιορισμό των μακρόβιων ραδιενεργών προσμίξεων στο ραδιοφάρμακο και σε μετρήσεις ακτινοπροστασίας σε επαγγελματικά εκτιθέμενους εργαζόμενους.Συμπεράσματα Προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν για την διερεύνηση της επίδρασης στην απόδοση ανίχνευσης, που οφείλεται στις διαστάσεις και την σύσταση του σώματος. Βρέθηκε το βέλτιστο ενεργειακό παράθυρο για την επεξεργασία φασμάτων 137Cs και 40K. Επίσης βρέθηκε ότι η απόδοση ανίχνευσης μειώνεται όταν ο νεκρός χρόνος είναι μεγαλύτερος από 25%.Βρέθηκε ότι η αξιοπιστία των μετρήσεων επηρεάζεται από την μεταβλητότητα των επιπέδων ενεργότητας του ραδονίου και των θυγατρικών προϊόντων στον αέρα. Η εφαρμογή μεθόδου αερισμού και της ημι-εμπειρικής μεθόδου διόρθωσης που αναπτύχθηκε βελτίωσαν την αξιοπιστία των μετρήσεων.Ο ΜΟΑ χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ολόσωμης ποσότητα καλίου σε ενήλικες εθελοντές, για την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση ραδιενεργών προσμίξεων σε ασθενείς στους οποίους χορηγήθηκε 153Sm. και για την εκτίμηση των επιπέδων ρύπανσης σε επαγγελματικά εκτιθέμενους εργαζόμενους.