Система мониторинга интенсивности ионизирующего излучения в отделениях лучевой терапии и диагностики

Воздействие радиации на человека называют облучением. Основу этого воздействия составляет передача энергии радиации клеткам организма. Ионизирующим считается любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Облучение может вызвать нарушения обмена веществ, инфекционные осложнения, лейкоз и злокачественные опухоли, лучевое бесплодие, лучевую катаракту, лучевой ожог, лучевую болезнь. Последствия облучения сильнее сказываются на делящихся клетках, и поэтому для детей облучение гораздо опаснее, чем для взрослых.

Человеческий организм не способен с помощью своих органов чувств воспринимать наличие радиоактивных веществ и их излучения (до несмертельных значений), поэтому необходимо мониторирование ионизирующего излучения. Особенно это актуально в медицинских учреждениях, где используется рентгенодиагностика. Мониторинг позволяет отслеживать отклонения ионизирующего излучения от допустимых норм, указанных в СанПиН-ах и в паспортах рентгеноборудования.

Ниже в таблице 1 приведены уровни безопасных величин поглощенной дозы излучения для населения.

Таблица 1

Разовые «вынужденные излучения» в диагностических исследованиях приведены в таблице 2.

Таблица 2

Обобщенная структурная схема системы мониторинга ионизирующего излучения приведена на рис. 1. Устройство измерения радиационного фона представляет собой датчик ионизирующего излучения, который измеряет радиационный фон и передает его значения в центр мониторинга посредством беспроводного канала связи. Центр мониторинга представляет собой персональный компьютер, на который стекаются данные со всех устройств измерения для последующей обработки, анализа и хранения полученной информации.

Рис. 1. Блок-схема системы мониторинга ионизирующего излучения.

Структура устройства измерения приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема устройства измерения.

Датчик ионизирующего излучения представляет собой газонаполненную трубку с двумя электродами, к которым подводится высокое напряжение. При попадании в трубку тяжелой частицы возникает кратковременный разряд. Схема формирования высокого напряжения предназначена для подачи высокого напряжения на электроды датчика и представляет собой автогенератор с повышающим трансформатором. В случае необходимости в дополнение к трансформатору может использоваться умножитель напряжения.

Поскольку на выходе датчика ионизирующего излучения присутствует высокое напряжение, то для приведения его к необходимому для дальнейшей обработки уровню, необходим делитель напряжения, с которого и снимается полезный сигнал.

Формирователь импульсов предназначен для формирования импульсов соответствующей формы и длительности, которые впоследствии подсчитываются за определенный период времени.

Микроконтроллер обеспечивает подсчет импульсов, пришедших с датчика ионизирующего излучения, пересчет их количества в уровень радиоактивного излучения, а также индикацию результатов измерения и выбор режима измерения.

Схема радиоинтерфейса осуществляет передачу результатов измерения по беспроводному каналу связи в центр мониторинга.

Источник питания обеспечивает питание функциональных блоков прибора. Питание схемы осуществляется от маломощного стабилизированного блока питания на выходе которого постоянное напряжение.

В данной блок-схеме используются два датчика ионизирующего излучения для усреднения результатов измерения и получения более точных значений.

Принципиальная схема измерительной и обрабатывающей части устройства [1] представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема измерительной части устройства (без радиоинтерфейса)

Данное устройство, способно контролировать общую радиационную обстановку и обнаруживать малоразмерные источники α- и β-излучения со спектром, ограниченным снизу значениями 0,05 и 0,5 МэВ соответственно.

При естественном фоне счетчик СБМ-20 формирует в выходной цепи в среднем от 20 до 25 коротких электрических импульсов в минуту в зависимости от экземпляра. Это не означает, что такое число импульсов будет зафиксировано при любом минутном измерении, но оно колеблется вблизи этого значения.

Счетчик импульсов прибора, построенный на микроконтроллере ATmega8 подсчитывает их, а жидкокристаллическое цифровое табло высвечивает результат счета.

Для работы детектор ионизирующего излучения требует напряжения в пределах 350...450 В. Его источником в приборе служит преобразователь напряжения, представляющий собой блокинг-генератор на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. С повышающей обмотки I трансформатора снимаются импульсы частотой несколько десятков герц и длительностью 5…10 мкс, амплитуда которых достаточна для прямого (без умножения) формирования необходимого напряжения. После выпрямления импульсов диодами VD1, VD2 и сглаживания конденсатором С1 высокое напряжение поступает к детектору BD1. Каждая ионизирующая частица, возбуждающая детектор, становится причиной короткого разрядного импульса в его цепи. С нагрузки детектора — резистора R1 через делитель R2R3 эти импульсы поступают на формирователь, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2 по схеме одновибратора. С выхода элемента DD1.1 импульсы длительностью около 0,2 мс поступают на вход микроконтроллера DD2 (ATmega8), а с него на блок индикации — жидкокристаллическое табло TIC5234 со встроенным контроллером ML1001. Использование ЖКИ с контроллером ML1001 позволяет управлять выводом информации с помощью трех линий связи.

Схемотехническое решение первичного счетчика оказывается оптимальным, если ограничить время счета, иначе говоря, время измерения, сорока секундами. Такая длительность, во-первых, достаточна для того, чтобы при регистрации естественного фона флуктуации «вверх» практически никогда не достигали бы значения 2N_ф — это обеспечивает высокую реальную достоверность показаний прибора.

Во-вторых, за 40 с детектор BD1 при естественном радиационном фоне 12 мкР/ч формирует 16–17 импульсов, что достаточно для обеспечения необходимой точности.

Микроконтроллер DD2 осуществляет подсчет импульсов, а также выполняет функции управления.

Таким образом, внедрение данной системы позволит непрерывно следить за уровнем радиационного фона внутри рентген кабинетов и за их пределами и тем самым снизит риски, связанные с негативными последствиями радиационного излучения пациентов и персонала медицинских учреждений.

Литература:

1.                  Лисицкий М. В., Кутузов Д. В. Разработка цифрового дозиметра для контроля интенсивности ионизирующего излучения пищевых продуктов \\ Региональная научно-практическая конференция «Исследования молодых ученых — вклад в инновационное развитие России»: в 2 т. — Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2011. — Т.1: Машиностроение, электроника, приборостроение. Информационные технологии. — 361 с., с.185–186