Расчет дозовых нагрузок при работе с рентгеновской трубкой

Накопление знаний о  воздействии рентгеновского излучения  на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.

В современной визуализированной диагностике КС обеспечивают существенное повышение информативности рентгенологических методов исследования, РКТ, МРТ и ультразвуковой диагностике. Все КС имеют одно назначение увеличить разницу между различными структурами в отношении их способности абсорбировать или отражать электромагнитные излучения или ультразвука. Для выполнения своей задачи КС должны достичь определенной концентрации в тканях и быть безвредными, что, к сожалению, невозможно, так как они часто приводят к нежелательным последствиям. Отсюда, поиски высокоэффективных и безвредных КС продолжаются. Актуальность проблемы возрастает с появлением новых методов (РКТ, МРТ, УЗИ).

Современные требования к КС:

1) хорошая (достаточная)  контрастность изображения, т.е. диагностическая эффективность;

2) физиологическая обоснованность (органоспецифичность, выведение  по пути из организма);

3) общедоступность (экономичность);

4) безвредность (отсутствие  раздражений, токсических повреждений и реакций);

5) простота введения  и быстрота выведения из организма.

Актуальность: В настоящее время, несмотря на широкое распространение томографических систем в России до сих пор не налажены томографические производства. Работа направлена на разработку которое позволила бы работать над созданием томографических систем.

Целью данной работы является создание методики дозовой подготовки для исследования внутренних структур, в том числе живых объектов при проведении 3D-диагностики.

Для достижения указанных целей были поставлены следующие задачи

• изучить программу для расчета дозовых нагрузок «PCLAB»;
• расчет защиты от рентгеновского излучения в программе «PCLAB» для энергий рентгеновских фотонов 75 кэВ и 100 кэВ. Материалы: свинец, железо, бетон;
• моделирование распределения дозы в водном фантоме для энергий рентгеновских фотонов 75 кэВ и 100 кэВ;
• Расчет распределения дозы в фантоме биологического объекта в режиме «Барьер» программы «PCLAB» для энергий рентгеновских фотонов 75 кэВ.

 

 

 

Глава 2. Расчет защиты от рентгеновского излучения в программе «PCLAB» для энергий рентгеновских фотонов 75 кэВ и 100 кэВ. Материалы: свинец, железо, бетон.

 

Работа с рентгеновским  излучением без надлежащей защиты вредна для здоровья. Результатом продолжительного воздействия рентгеновского излучения на человеческое тело являются обнаруживаемые лишь в последствии ожоги кожи, изменения в составе крови и повреждения внутренних органов. Поэтому при работе с рентгеновскими аппаратами необходима защита персонала от прямого и косвенного облучения рентгеновскими лучами.

 

2.1 « PROTECT.  Защита от рентгеновского излучения»

 

Было рассчитана защита от рентгеновского излучения с помощью программы «PCLAB».. Материалами защиты являются: бетон, железо и свинец. Расчет защиты производился напряжений рентгеновской трубки Umax(кВ): 75 и 100.

Для расчета толщины защиты используются величины, указанные в таблице 2.1:

 

Вещество защиты	Umax (кВ)	Ток трубки (мА)	Тип геометрии защиты	Расстояние до детектора R(м)	ДМД (мкЗв/ч)	Результаты расчета: толщина защиты  d(мм)
свинец	75	1,3	1	3	1,2	1,846
	100					3,711
железо	75					10,78
	100					23,3
бетон	75					154,8
	100					224,3

 

 

 

 

Рис. 2.1.1. Геометрия защиты рентгеновского излучения

 

 

 

Рис. 2.1.2. Результаты расчета или моделирование в виде гистограммы

 

 

 

 

2.2 Расчет защиты с помощью номограмм по программе «PCLAB»

 

Источник ионизирующего  излучения – объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое  устройство, испускающее ИИ. Например, источниками излучения действующие  ядерного реактора кроме активной зоны являются: система охлаждения, конструктивные материалы, оборудование, защита. Для расчета защиты одним необходимым характеристикой является геометрия источника. 

Нарисована геометрия  защиты прохождение рентгеновского излучения через толщину защиты.

 

 

Рис. 2.2.1. Геометрия защиты рентгеновского излучения

 

где  S – источник, L – расстояние от источника до защиты, d – толщина защиты, θ – угол коллиматора.

 

Программе «PCLAB» в режиме БАРЬЕР (BARRIER) выполняется расчеты методом Монте-Карло интегральных и дифференциальных характеристик электронов, позитронов, фотонов, протонов в однородной и гетерогенной барьерной геометрии. Расчеты проводились для простых (свинец, железо) и сложных веществ (бетон. воздух), а необходимые для расчета сечения и распределения готовятся в режиме CONST.

 

 

Рис. 2.2.2 Моделирование в режиме БАРЬЕР

 

При проектировании защиты чаще всего ставится задачи определение  толщины экрана d, которая обеспечит заданный уровень облучения.

 

                                                                              (1)

 

где k –  кратность ослабления излучения, которая показывает, во сколько раз защитный экран из данного вещества толщиной d ослабляет первичные и вторичные фотонное излучение от источника с энергией Е₀. Удобным для практического использования выражения (1) является построение таблиц зависимости толщины защиты от кратности ослабления для различных энергий.

Зависимость кратности  ослабления от толщины защиты, которая определяется выражением (1), можно представить в графическом виде. Такие зависимости называются номограммами (универсальными номограммами). Номограммы можно построить и по экспериментальным данным.

Номограммы, также как и универсальные таблицы, позволяют быстро и с хорошей точностью решать практические задачи проектирования защиты.

Номограммы для свинца, железо и бетона получены по экспериментальным данным в барьерной геометрии, не требует поправки на барьерность, и учитывают спектральный состав излучения.

Зная радиационный выход  рентгеновской трубки легко определить мощность поглощенной дозы в воздухе  для определенного расстояния от анода трубки до детектора и тока.

В основном величина радиационного выхода определяется напряжением. Значения радиационного выхода стандартной трубки приведены на рис. 3.

 

 

Рис. 2..2.3 Зависимость радиационного выхода «стандартной»

 рентгеновской трубки от  U_max :

1 – нефильтрованное  излучение; 2 – сильно фильтрованное  излучение

 

При напряжений 75 кВ радиационный выход  равен:

 

 

 

 

 

При напряжений 100 кВ радиационный выход равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2.1 Результаты защиты от рентгеновского излучения найденные по номограммам

 

Материалы защиты	Напряжение
	75 кВ	100 кВ
Свинец	1,9 мм	4 мм
Железо	12 мм	25 мм
Бетон	149 мм	190 мм

 

 

По номограммам видно толщина защиты от рентгеновского излучение при напряжений 75 кВ для свинца d=1,9 мм; для железо d=12 мм; для бетона d=149 мм.

Толщина защиты от рентгеновского излучение при напряжений 100 кВ для свинца d=4 мм; для железо d=25 мм; для бетона d=190 мм.

 

 

3.Моделирование распределения  дозы в водном фантоме для  энергий рентгеновских фотонов  75 кэВ и 100 кэВ.

 

Рентгенологические обследования являются одними из наиболее распространенных в современной медицине. Рентгеновское  излучение используется для получения простых рентгеновских снимков костей и внутренних органов, флюорографии, в компьютерной томографии, в ангиографии и пр.

Исходя из того рентгеновское  излучение относится к группе радиационных излучений, оно (в определенной дозе) может оказывать негативное влияние на здоровье человека. Проведение большинства современных методов рентгенологического обследования подразумевает облучение обследуемого ничтожно малыми дозами радиации, которые совершенно безопасны для здоровья человека.

 

3.1

 

Расчет методом Монте-Карло 3-х мерного пространственного распределения поглощенной энергии в детекторе, представляющем собой прямоугольный параллелепипед, разбитый на элементарные вокселы. Детектор может имитировать фантом, а геометрия, в которую он может быть помещен, может имитировать реальную геометрию дистанционной лучевой терапии на пучках фотонов, электронов и протонов. Расчеты можно проводить для любого вещества и в сложной геометрии.

 

 

Рис.7. Моделирование в режиме ФАНТОМ.

 

 

Рис.8. Моделирование в режиме ФАНТОМ 3D

 

 

Рассчитана распределение поглощенной дозы в водном фантоме, имитирующем срез тела. Источник рентгеновский аппарат с напряжением 100 кВ. Вращение: 2 направление, 360 градуса.

Поглощенная доза равна 65 Гр за время 7918 c.  По данным можно определить, что за один раз облучение водного фантома поглощенная доза равна 6,5 Гр за 792 с.

 

 

4. Меры радиационной  безопасности при работе с  рентгеновской трубкой

Производственная и экологическая  безопасность 

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Для обеспечения радиационной безопасности при нормальной эксплуатации источников ионизирующего излучения необходимо руководствоваться следующими главными принципами:

- принцип нормирования: непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от всех источников ионизирующего излучения;

- принцип  обоснования: запрещение всех видов деятельности по использованию источников излучения, при которых полученная для человека и общества польза не превышает риск возможного вреда, причиненного дополнительным облучением;

- принцип оптимизации: поддержание на возможно низком достижимом уровне, с учетом экономических и социальных факторов, индивидуальных доз облучения и числа облучаемых лиц при использовании любого источника излучения.

2. К работам с аппаратом допускаются лица не моложе 18 лет, имеющие специальную подготовку, отнесенные к персоналу группы А, прошедшие медицинский осмотр и не имеющие медицинских противопоказаний.
3. Лица, временно привлекаемые к работам, проходят обучение безопасным методам работы и инструктаж.
4. При проведении работ на рентгеновском аппарате выделяют две группы облучаемых лиц А и Б. К группе А относятся сотрудники, непосредственно занятые в проведении исследований и работ с использованием рентгеновского излучения. К группе Б относятся студенты Томского политехнического университета, выполняющие работы на рентгеновском оборудование связанные с учебным процессом (лабораторные работы, НИР, УИРС, ВКР).
5. Персонал групп А и Б должен знать и соблюдать предельно-допустимые дозы облучения. Так для персонала группы А эффективная доза облучения не должна превышать 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год. Эффективная доза для персонала не должна превышать 1000 мЗв за период трудовой деятельности (50 лет). Для персонала группы Б основные пределы доз равны ¼ значений установленных для персонала группы А.
6. Женщины освобождаться от работы с рентгеновским оборудованием на весь период беременности с момента ее медицинского подтверждения.
7. Радиационная безопасность контролируется отделом радиационной безопасности ТПУ и/или ответственным за радиационную безопасность на каф. Прикладной физики ФТИ ТПУ.
8. В соответствии с приказом Минздравсоцразвития России от 16.08.2004 г № 83 «об утверждении перечня вредных…» персонал лаборатории должен проходить медицинский осмотр при поступлении на работу и периодические осмотры не реже одного раза в год. К работе допускаются лица, не имеющие противопоказаний к работе с ионизирующим излучением.
9. Персонал, занятый в работах на рентгеновском оборудовании, должен иметь группу по электробезопасности не ниже 3-й и ежегодно проходить проверку знаний.
10. Каждый вновь принятый на работу в лабораторию должен пройти первичный инструктаж по охране труда на рабочем месте. Повторный инструктаж персонал проходит не реже одного раза в квартал (приказ ректора № 4449 от 30.07.2009г).
11. При изменении условий труда, в случае нарушения правил по охране труда и несчастных случаях на производстве работник должен пройти внеочередную проверку знаний.