RU201111U1 - Медицинский индивидуальный дозиметр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ядерной медицинской технике и представляет собой индивидуальный дозиметр гамма и рентгеновского излучения, который может быть использован в медицине при дозиметрическом планировании, проведении радионуклидной терапии для измерения амбиентного эквивалента мощности дозы излучения от пациента. Медицинский индивидуальный дозиметр включает корпус, снабженный световым индикатором и многофункциональной кнопкой, и расположенные в корпусе: блок управления и обработки данных; блок формирования высокого напряжения; газоразрядный детектор; высоковольтный коммутатор; беспроводной приемо-передающий модуль, блок питания. Блок управления и обработки данных включает соединенные двусторонней связью энергонезависимую память и микроконтроллер, соединенный двусторонней связью с беспроводным приемо-передающим модулем. При этом приемо-передающий модуль может включать антенны Bluetooth и/или NFC Блок питания включает импульсный преобразователь напряжения, аккумуляторную батарею, соединенную через узел контроля заряда с узлом беспроводной зарядки. Энергонезависимая память содержит блок данных калибровочных коэффициентов и блок измеренных данных, а микроконтроллер выполнен с возможностью выбора из блока данных калибровочных коэффициентов значений под конкретный источник ионизирующего излучения от пациента, вызванного введением радиофармпрепарата, а также с возможностью пересчета текущей скорости счета с газоразрядного детектора в мощность амбиентного эквивалента дозы с учетом выбранных значений калибровочных коэффициентов, и сохранения полученных значений в блок измеренных данных. Технический результат заключается в создании индивидуального компактного медицинского дозиметра, обеспечивающего измерение амбиентного эквивалента мощности дозы в диапазоне от 0,01 мкЗв/ч до 20 Зв/ч в широком диапазоне энергий от 15 кэВ до 3,0 МэВ с минимальной погрешностью измерения.

Description

Область техники

Полезная модель относится к ядерной медицинской технике и представляет собой индивидуальный дозиметр гамма и рентгеновского излучения, который может быть использован в медицине при дозиметрическом планировании, исследовании характеристик фармакокинетики и проведении радионуклидной терапии с использованием радиофармпрепаратов меченных, например, I-131, Tc-99m, I-123, Ra-223, Lu-177 и др., для измерения амбиентного эквивалента мощности дозы излучения от пациента. Дозиметр также может найти применение при индивидуальном дозиметрическом контроле при эксплуатации источников ионизирующего излучения, например, медицинских изотопов и немедицинских, таких как Cs-137, Co-60 др.

Уровень техники

Индивидуальный дозиметрический контроль является важным процессом при проведения лечебных и диагностических медицинских процедур с радиоактивными медицинскими изотопами, что позволяет достичь максимального терапевтического эффекта при снижении риска их патогенного воздействия на здоровые ткани организма. Кроме того, дозиметрический контроль необходим также для обеспечения радиологической безопасности персонала, пациента и его родственников на посттерапевтическом этапе. В этой связи актуальным является разработка компактного, удобного для ношения на теле человека медицинского индивидуального дозиметра, отличающегося низкой погрешностью измерения амбиентного эквивалента мощности дозы от пациента с введенным радиоактивным фармпрепаратом и удобного для дистанционного мониторирования состояния пациента врачом-радиологом.

Из уровня техники известны компактные устройства для детекции ионизирующего излучения, выполненные на основе газоразрядного детектора, например, счетчика Гейгера-Мюллера, и предназначенные для ношения на теле человека, например, дозиметр ДКГ-РМ1610 (Гос.реестр №41954-14, http://www.kip-guide.ru/info/41954-14 дата обращ. 10.07.2020), а также дозиметры, известные из патентов RU125008, RU169310, RU2593820, FR2622302, US5132543.

Как известно, основной вклад в погрешность измерения газоразрядного дозиметра вносит энергетическая зависимость, обусловленная различной чувствительностью счетчика Гейгера-Мюллера к гамма излучению от различных изотопов, имеющих различные энергии. В большинстве своем такие дозиметры, применяемые в различных сферах деятельности человека - от бытовой до военной, предназначены для регистрации гамма излучения смешанных спектров (от радионуклидов различных энергий). Энергетическую компенсацию счетчика обеспечивают посредством использования фильтров для выравнивания его чувствительности. Однако полностью выровнять чувствительность не всегда удается, в результате чего возникает дополнительная погрешность, величина которой зависит от типа фильтра и энергии гамма излучения. Производители большинства дозиметров указывают погрешность энергетической зависимости относительно основной энергетической линии радионуклида, по которому выполняется основная калибровка дозиметра (установление зависимости между показаниями прибора и эталонным значением гамма излучения), например, линия спектра 0,662 МэВ для 137-Cs. А именно энергетическая зависимость чувствительности относительно линии спектра 0,662 МэВ (для 137-Cs) в режиме измерения мощности дозы фотонного (гамма и рентгеновского) излучения может составлять от 50 % до 60 % в диапазоне энергий от 33 кэВ до 10 МэВ. Таким образом, описанные выше дозиметры не способны обеспечить достаточную точность измерения мощности амбиентного эквивалента дозы излучения в радионуклидной терапии и диагностике, где необходимо с высокой точностью контролировать неравномерную радиационную нагрузку на отдельные ткани и органы пациента с целью минимизации радиационного воздействия на организм и достижения полезного терапевтического эффекта для пациента.

Наиболее близким к заявляемому решению является индивидуальный цифровой дозиметр (патент на полезную модель RU84582), содержащий узел детектора на основе газоразрядного детектора ионизирующего излучения, первый вход которого соединен с первым выходом высоковольтного преобразователя, а выход соединен с первым входом блока обработки информации, первый восьмиразрядный выход блока обработки информации соединен с узлом индикации, второй выход блока обработки информации соединен со звуковым излучателем. Отличительной особенностью данного дозиметра является то, что его устройство питания включает батарею питания, соединенную через стабилизатор напряжения с коммутатором, высоковольтным преобразователем напряжения, микроконтроллером, звуковым излучателем, инфракрасным каналом и первым входом питания узла индикации, выполненного на основе светодиодного цифрового индикатора, причем второй вход питания узла индикации соединен с батареей питания, второй выход высоковольтного преобразователя напряжения соединен с первым входом коммутатора, а выход коммутатора соединен со вторым входом узла детектора. Блок обработки информации представляет собой микроконтроллер и имеет дополнительно три входа и три выхода, первый дополнительный вход соединен с третьим выходом высоковольтного преобразователя напряжения, второй дополнительный вход связан с выходом инфракрасного канала, третий дополнительный вход связан с кнопкой «режим», первый дополнительный выход микроконтроллера соединен с входом высоковольтного преобразователя напряжения, второй дополнительный выход связан со вторым входом коммутатора, третий дополнительный выход связан с входом инфракрасного канала.

Дозиметр по патенту RU84582 включает высоковольтный преобразователь напряжения, выполненный с возможностью генерации двух уровней запирающего напряжения 400 В и 150 В, получаемых с нескольких вторичных обмоток трансформатора. Однако данная конструкция не обеспечивает полного запирания газоразрядного детектора после регистрации гамма-кванта, вследствие чего увеличивается погрешность измерения, в отличие от заявляемого дозиметра, в котором введены высоковольтные диоды, обеспечивающие полное запирание газоразрядного детектора при одном уровне напряжения смещения в 500 В. Усложненное схемотехническое решение по патенту RU84582 с несколькими вторичными обмотками трансформатора не позволяет достичь необходимой компактности. Также инфракрасный канал дозиметра по патенту RU84582 обладает низкой скоростью передачи информации об измеренных данных, в отличие от заявляемого дозиметра, содержащего приемо-передающий модуль с современными каналами связи, такими как Bluetooth и NFC, что обеспечивает возможность дистанционного контроля состояния пациента в амбулаторных условиях без контакта пациента с врачом или обслуживающим персоналом. Кроме того, отличительной особенностью заявляемого дозиметра является наличие блока памяти, передающего на микроконтроллер значения калибровочных коэффициентов по конкретным медицинским изотопам, что позволяет минимизировать дополнительную погрешность, связанную с энергетической зависимостью счетчика в диапазоне энергий. Значения калибровочных коэффициентов для отдельных радионуклидов, используемых в медицине для лечения онкологических заболеваний, например, I-131, I-125, Tc-99m, Ra-223, Lu-177, др., могут быть определены любыми известными из уровня техники методами и средствами. Известно, что I-131 используют при лечении тиреотоксикоза, Ra-223 и Lu-177 - при лечении онкологии предстательной железы, а Tc-99 является золотым стандартом радионуклидной диагностики и активно используется в интраоперационных приложениях для визуализации функциональных образований.

Технической проблемой, решаемой заявляемой полезной моделью, является уменьшение погрешности измерения амбиентного эквивалента мощности дозы введенного в организм пациента радиофармпрепарата в сочетании с обеспечением удобства применения дозиметра, размещаемого на теле пациента.

Краткое раскрытие сущности

Технический результат заключается в создании индивидуального компактного медицинского дозиметра, обеспечивающего измерение амбиентного эквивалента мощности дозы в диапазоне от 0,01 мкЗв/ч до 20 Зв/ч в широком диапазоне энергий от 15 кэВ до 3,0 МэВ с высокой точностью (минимальной погрешностью измерения).

Технический результат осуществляется за счет того, что заявляемый медицинский индивидуальный дозиметр для измерения амбиентного эквивалента мощности дозы излучения от пациента, включает корпус, снабженный световым индикатором и многофункциональной кнопкой, и расположенные в корпусе: блок управления и обработки данных; блок формирования высокого напряжения; газоразрядный детектор; высоковольтный коммутатор; беспроводной приемо-передающий модуль, блок питания, где блок управления и обработки данных включает соединенные двусторонней связью энергонезависимую память и микроконтроллер, при этом микроконтроллер соединен с беспроводным приемо-передающим модулем двусторонней связью, выход многофункциональной кнопки подключен к первому входу микроконтроллера, выход газоразрядного детектора соединен со вторым входом микроконтроллера, первый выход которого соединен с первым входом блока формирования высокого напряжения, первый выход которого, в свою очередь, через высоковольтные диоды подключен к первому и второму входам газоразрядного детектора, соединенного через двустороннюю связь с высоковольтным коммутатором, а второй выход блока формирования высокого напряжения соединен с третьим входом микроконтроллера, второй выход которого соединен со входом высоковольтного коммутатора, третий выход микроконтроллера соединен со световым индикатором, а блок питания включает импульсный преобразователь напряжения, аккумуляторную батарею, соединенную через узел контроля заряда с узлом беспроводной зарядки, при этом узел контроля заряда, с одной стороны двусторонней связью соединен с микроконтроллером, с другой стороны соединен с импульсным преобразователем напряжения, выход которого соединен со вторым входом блока формирования высокого напряжения, четвертым входом микроконтроллера, а также входами светового индикатора, беспроводного приемо-передающего модуля и энергонезависимой памяти, при этом энергонезависимая память содержит блок данных калибровочных коэффициентов и блок измеренных данных, а микроконтроллер выполнен с возможностью выбора из блока данных калибровочных коэффициентов значений под конкретный источник ионизирующего излучения от пациента, вызванного введением радиофармпрепарата, а также с возможностью пересчета текущей скорости счета с газоразрядного детектора в мощность амбиентного эквивалента дозы с учетом выбранных значений калибровочных коэффициентов и сохранения полученных значений в блок измеренных данных.

Кроме того, в заявляемом медицинском индивидуальном дозиметре микроконтроллер выполнен с возможностью пересчета текущей скорости счета с газоразрядного детектора в мощность амбиентного эквивалента дозы с учетом значений, содержащихся в блоке данных калибровочных коэффициентов, по формуле

МАЭД = K[i]*CPS-B[i],

где МАЭД - мощность амбиентного эквивалента дозы, CPS - текущая скорость счета; К[i] - калибровочный коэффициент на активность от конкретного изотопа, В[i] -калибровочный коэффициент на фоновую активность конкретного изотопа, i - конкретный изотоп.

Также в одном из вариантов реализации полезной модели беспроводной приемо-передающий модуль содержит антенну канала Bluetooth с возможностью передачи данных энергонезависимой памяти на удаленный компьютер лечащего врача.

Кроме того, беспроводной приемо-передающий модуль может содержать антенну канала NFC, выполненную с возможностью беспроводной передачи данных из блока измеренных данных энергонезависимой памяти на удаленный компьютер лечащего врача через считывающий терминал.

Также беспроводной приемо-передающий модуль может быть выполнен с возможностью беспроводной передачи от оператора сигнала на микроконтроллер для выбора конкретных значений из блока данных калибровочных коэффициентов для конкретного источника ионизирующего излучения от введенного пациенту радиофармпрепарата посредством каналов Bluetooth или NFC, при этом приемо-передающий модуль снабжен антеннами Bluetooth или NFC, соответственно.

Также энергонезависимая память может дополнительно содержать блок данных о пациенте, включая его персональные данные, номер карты, и блок технологических параметров дозиметра, включая служебное время счетчика.

Кроме того, корпус выполнен герметичным к воздействию пыли и жидкости (м.б. воздухонепроницаемым и влагонепроницаемым, в т.ч. при погружении в воду на глубину более 1 м) с возможностью дезактивации корпуса при загрязнении медицинскими изотопами любыми известными из уровня техники средствами.

Кроме того, многофункциональная кнопка выполнена с возможностью включения и выключения дозиметра и беспроводного приемо-передающего модуля, а также с возможностью выбора оператором конкретных значений из блока данных калибровочных коэффициентов.

Также в заявляемом медицинском индивидуальном дозиметре световой индикатор выполнен в виде светодиодного элемента с возможностью индикации уровня заряда аккумуляторной батареи и индикации передачи данных из энергонезависимой памяти через беспроводной приемо-передающий модуль.

Кроме того, блок формирования высокого напряжения в заявляемом медицинском дозиметре представляет собой высоковольтный преобразователь, выполненный на основе обратноходового трансформатора.

Заявляемый медицинский дозиметр является удобным для использования в медицинских учреждениях за счет миниатюрного размера (не более 45*47*18 мм), веса устройства порядка 30 г. и увеличенного времени автономного режима работы от аккумуляторной батареи (не менее 1000 часов), наличия беспроводных каналов приема и передачи измеренных данных для удобства контроля параметров излучения врачом-радиологом. Выполнение корпуса герметичным обеспечивает упрощение дезактивации устройства при его возможном загрязнении медицинскими радионуклидами. В заявляемом дозиметре, в отличие от известных дозиметров, применен подход сохранения в память калибровочных коэффициентов для различных радионуклидов, которые используются в приложениях ядерной медицины. Процесс калибровки и подбора калибровочных коэффициентов для данного дозиметра может быть реализован одновременно для нескольких радионуклидов, в соответствии с требованиями, регламентирующими порядок выполнения диагностической либо терапевтической процедуры и работы с радиофармпрепаратами. При этом калибровочные коэффициенты сохраняются в энергонезависимую память дозиметра с возможностью выбора определенного значения под конкретный изотоп перед началом использования дозиметра, что минимизирует энергетическую зависимость газоразрядного детектора для конкретного радионуклида и уменьшает общую погрешность измерения.

Краткое описание чертежей

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства в одном из вариантов его реализации с указанием габаритов, на фиг.2 - блок-схема устройства, где позициями обозначены: 1 - корпус, 2 - световой индикатор, 3 - многофункциональная кнопка, 4 - микроконтроллер, 5 - блок формирования высокого напряжения, 6 - газоразрядный детектор, 7 - высоковольтный коммутатор, 8 - беспроводной приемо-передающий модуль, 9 - энергонезависимая память, 10 - импульсный преобразователь напряжения, 11 - аккумуляторная батарея, 12- узел контроля заряда, 13 - узел беспроводной зарядки, Lp - катушка-приемник для узла беспроводной зарядки, D1 - первый высоковольтный диод, D2 - второй высоковольтный диод, W1 - антенна канала Bluetooth, W2 - антенна канала NFC.

Осуществление полезной модели

Заявляемый медицинский индивидуальный дозиметр представляет собой герметичный корпус 1, на котором размещены световой индикатор 2 и многофункциональная кнопка 3 для обеспечения возможности контроля работы устройства, включения/выключения, индикации режимов съема и передачи данных. Корпус дозиметра может быть выполнен из пластмассы с обеспечением герметичности по классификации степени защиты оболочки IP 68 в соответствии с ГОСТ 14254-96. Выполнение корпуса 1 герметичным упрощает проведение дезактивации дозиметра при загрязнении медицинскими изотопами. В корпусе 1 расположены микроконтроллер 4 и энергонезависимая память 9, входящие в блок управления и обработки данных, поступаемых с газоразрядного детектора 6. В качестве газоразрядного счетчика может использоваться миниатюрный счетчик Гейгера-Мюллера, например, типов СБМ-21, J705, LND713 c многослойным фильтром из свинца, олова, вольфрама для регистрации энергии фотонного излучения в диапазоне 15 кэВ до 3.0 МэВ. Кроме того, энергонезависимая память 9 содержит блок измеренных данных и блок калибровочных коэффициентов. Причем микроконтроллер 4 выполнен с возможностью выбора из блока калибровочных коэффициентов данных о паре коэффициентов, обеспечивающих пересчет скорости счета с газоразрядного детектора 6 в мощность амбиентного эквивалента дозы. А блок измеренных данных выполнен с возможностью хранения значений об измеренных мощностях амбиентного эквивалента дозы. Также в корпусе размещены блок формирования высокого напряжения 5, соединенный с газоразрядным детектором 6 посредством высоковольтных диодов D1 и D2, высоковольтный коммутатор 7 и блок питания. Блок питания содержит импульсный преобразователь напряжения 10, аккумуляторную батарею 11, узел контроля заряда 12 с аккумуляторной батареи 11, узел беспроводной зарядки 13 с катушкой индуктивности Lp. Микроконтроллер 4 соединен с беспроводным приемо-передающим модулем 8, со встроенными антенной W1 канала Bluetooth и антенной W2 канала NFC.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно оператор выполняет выбор режима работы дозиметра под определенный источник ионизирующего излучения введенного в организм пациента радиофармпрепарата, предварительно известного из истории болезни. Выбор режима работы дозиметра осуществляют за счет подачи сигнала от оператора через антенну W1, антенну W2 или посредством многофункциональной кнопки 3, подающей соответствующий сигнал на микроконтроллер 4, в свою очередь, сигнал с которого поступает на блок калибровочных коэффициентов энергонезависимой памяти 9. Блок калибровочных коэффициентов передает на микроконтроллер 4 данные о значениях пары калибровочных коэффициентов.

Далее дозиметр размещают на теле пациента. Предпочтительно его крепят на одежде пациента в той зоне тела, которая соответствует изучаемому физиологическому процессу с накоплением радиофармпрепарата в организме.

Перед началом измерения микроконтроллер 4, подающий сигнал на высоковольтный коммутатор 7, отключает общий вывод энергокомпенсированного газоразрядного детектора 6 и подает короткие импульсы на блок формирования высокого напряжения 5, который обеспечивает напряжение порядка 500В на высоковольтном диоде D1 для начала работы газоразрядного детектора 6. В момент начала измерения микроконтроллер 4 отключает подачу короткого импульса на блок формирования высокого напряжения 5. Далее микроконтроллер 4 подключает к общей шине газоразрядный детектор 6 с помощью высоковольтного коммутатора 7. Микроконтроллер 4 измеряет время до прихода первого импульса, сформированного в газоразрядном детекторе 6 при регистрации гамма-кванта. В момент прихода импульса микроконтроллер 4 отключает газоразрядный детектор 6 от общей шины, с одновременным формированием запирающего напряжения 500 В, сформированного на выходе катода высоковольтного диода D2, посредством подачи короткого импульса на блок формирования высокого напряжения 5. После выключения газоразрядного детектора 6 микроконтроллер 4 в течение служебного времени производит сохранение в энергонезависимую память 9 (а именно, в блок измеренных данных) информацию о зарегистрированном приходе импульса и времени его прихода для дальнейшей обработки. После завершения служебного времени микроконтроллер 4 повторяет включение и выключение газоразрядного детектора, каждый раз производя измерение времени от момента включения газоразрядного счетчика до прихода первого импульса от газоразрядного детектора 6. В измеряемой величине нет «мертвого» времени газоразрядного детектора, так как измерение времени происходит от момента включения газоразрядного детектора 3 до прихода первого импульса от газоразрядного счетчика. Восстановление газоразрядного счетчика, называемое в технической литературе «мертвым временем счетчика», длится около 35 мкс. Начало восстановления газоразрядного детектора совпадает с началом служебного времени микроконтроллера 4, которое длится около 100 мкс. К началу очередного цикла измерения газоразрядный детектор 6 всегда восстановлен.

Работа блока формирования высокого напряжения 5 в строго определенное время и работа микроконтроллера 4 в экономичном режиме обеспечивают ток потребления дозиметра при мощности дозы от фона до 5 мкЗв/ч не более 50 мкА. Питание медицинского программируемого дозиметра осуществляется от напряжения питания 3,3 В, сформированного импульсным преобразователем напряжения 10, подключенным к аккумуляторной батарее 11 через блок контроля заряда 12. Заряд аккумуляторной батареи 11 осуществляется от блока беспроводной зарядки 13 аккумулятора, оснащенного антенной в виде приемной катушки индуктивности Lp. Для индикации режимов работы и сигнализации, используют световой индикатор 2. Управление вкл./выкл. питания дозиметра и режимами работы осуществляется посредством многофункциональной кнопки 3. Настроечные параметры дозиметра с калибровочными коэффициентами и история измерений хранятся во внешней энергонезависимой памяти 9.

Микроконтроллер 4 производит вычисление мощности амбиентного эквивалента дозы путем считывания из энергонезависимой памяти 9 полученных в результате измерения данных и запрограммированных калибровочных коэффициентов по формуле

МАЭД = K[i]*CPS-B[i] (1),

где CPS - текущая скорость счета в [имп/с]; К[i] - калибровочный коэффициент на активность от конкретного изотопа, В[i] - калибровочный коэффициент на фоновую активность конкретного изотопа. Калибровочные коэффициенты получают в процессе калибровки детектора сличением эталонного источника с показаниями дозиметра, для соответствующего медицинского изотопа. Данные коэффициенты для конкретных изотопов могут быть определены с помощью известных из уровня техники средств и методов, например, с помощью эталонного дозиметра, гамма-камеры, или антропоморфного фантома шеи и области таза для измерения мощности дозы от используемых в протоколе подготовки к лечению медицинскими изотопами. Введение дополнительных калибровочных коэффициентов по конкретным медицинским изотопам позволяет минимизировать погрешность, связанную с энергетической зависимостью счетчика в диапазоне энергий.

Управление режимами работы и считывание показаний с медицинского программируемого дозиметра осуществляют посредством использования беспроводного низкопотребляющего приемо-передающего модуля 8 со встроенными антеннами W1 канала Bluetooth (BLE 5.0) и/или W2 канала NFC. Антенна W1 канала Bluetooth осуществляет прием и передачу данных для управления режимом работы, а также считывает показания измеренной мощности амбиентного эквивалента дозы от пациента в режиме реального времени на удаленный компьютер врача-радиолога или лица, имеющего соответствующую квалификацию, для оперативного отслеживания фармакокинетики радиофармпрепарата, а также для корректного формирования плана лечения и назначения дозировки радиофармпрепарата. В то же время антенна W2 канала NFC может быть использована и для передачи сигнала от оператора при выборе режима работы дозиметра, и для передачи из энергонезависимой памяти измеренных данных на компьютер врача через терминал персональных данных пациента, таких как его идентификационный номер, ФИО и др. данные. Передачу данных с дозиметра может осуществлять сам пациент один раз в заданный промежуток времени (в конце дня или в конце лечения) через терминал, расположенный, например, в палате пациента. Наличие в дозиметре беспроводного приемо-передающего модуля обеспечивает удобство сбора и накопления информации о пациенте, а также уменьшение частоты контактов пациента с введенным радиоактивным препаратом с врачом, обслуживающим персоналом и другими пациентами, что влияет на повышение радиационной безопасности вышеприведенных лиц.

Блок формирования высокого напряжения представляет собой высоковольтный преобразователь, выполненный с использованием обратноходового трансформатора. Высокое напряжение на выходе преобразователя контролируется и регулируется на каждом такте по величине амплитуды обратного импульса на первичной обмотке трансформатора, пропорционального выходному напряжению, умноженному на коэффициент трансформации в момент выключения ключа управления с использованием микроконтроллера 4. Амплитуда обратного импульса с первичной обмотки перед новым тактом управления сравнивается с установленным реперным значением, соответствующим заданному выходному напряжению на выходе высоковольтного преобразователя. Если амплитуда обратного импульса с первичной обмотки меньше заданной, то происходит увеличение длительности импульса и открывание ключа в первичной обмотке, что приводит к увеличению тока намагничивания сердечника и, как следствие, к увеличению ЭДС во вторичной обмотке. Если амплитуда обратного импульса с первичной обмотки больше заданной, происходит уменьшение ЭДС во вторичной обмотке трансформатора. Использование обратноходового трансформатора для контроля выходного напряжения по обратному импульсу с первичной обмотки позволяет существенно уменьшить габариты дозиметра. А соединение блока формирования высокого напряжения двусторонней связью с микроконтроллером позволяет реализовать управление выходным напряжением с блока формирования высокого напряжения посредством формирования микроконтроллером импульсов различной ширины для эффективного управления высоким напряжением газоразрядного детектора в зависимости от интенсивности измеряемого гамма-излучения.

Был изготовлен опытный образец заявляемого медицинского индивидуального дозиметра (фиг.1) с габаритными размерами 45х47х15,8 мм, весом 30 грамм. Компактность устройства обусловлена размещением на плате размером 36,5x40x10 мм элементной базы типоразмеров 0402, 0603 техникой поверхностного монтажа. В качестве микроконтроллера был использован 16-ти разрядный микроконтроллер MSP430, обеспечивающий управление режимами работы дозиметра, считывание и математическую обработку поступающих импульсов с газоразрядного счетчика. Объем энергонезависимой памяти составлял 64Мбайт, необходимый для обеспечения хранения данных о калибровочных коэффициентах, измеренных данных и персональных данных пациента. Блок питания содержал аккумуляторную батарею LiPo размера 35х15х5мм и емкостью 320 мА/ч, обеспечивающую автономный режим работы дозиметра порядка 3000 часов. В качестве газоразрядного детектора был использован миниатюрный счетчик Гейгера-Мюллера типа СБМ-21 со свинцово-оловянным фильтром (Pb+Sn), известный из уровня техники, в частности, из публикации [H. Zhu, S. Kane, S. Croft, R. Venkataraman and F. Bronson Optimization of the Canberra UltraRadiac GM Tube Wrapping Canberra Industries, Inc., 800 Research Parkway, Meriden, CT, 06450, USA].

Блок формирования высокого напряжения представлял собой высоковольтный преобразователь с обратноходовым трансформатором, как описано в патенте RU2519246. Содержащиеся в блоке формирования высокого напряжения высоковольтные диоды, предназначенные для запирания высокого напряжения, формируемого на газоразрядном детекторе, имели следующие характеристики: устойчивость диодов к обратному напряжению свыше 600 В, ток утечки не менее 0,02 мкА, время восстановления порядка 100 нс. Высоковольтный коммутатор представлял собой MOSFET транзистор, отключающий газоразрядный детектор от общей шины и выдерживающий напряжение затвор-исток не менее 600 В. Импульсный преобразователь напряжения был выполнен на микросхеме Buck-Boost преобразователя, обеспечивающей стабилизированное выходное напряжение 3,3 В, ток 500 мА при изменяющемся входном постоянном напряжении от 1,8 до 5,5 В и КПД до 96%. Узел контроля заряда батареи представлял собой микросхему, известную из уровня техники, обеспечивающую контроль заряда/разряда Li-Pol аккумулятора. Узел беспроводной зарядки был выполнен на известной из уровня техники микросхеме, предназначенной для использования в маломощных беспроводных зарядных устройствах в соответствии со спецификациями WPC, для заряда Li-Pol аккумулятора. Энергонезависимая память выполнена на микросхеме, известной из уровня техники, имеющей объем 64 Мбит и осуществляющая обмен по протоколу I2C. Беспроводной передающий модуль выполнен в виде законченного модуля с встроенной антенной Bluetooth и модулем NFC, реализующей беспроводной приемопередающий канал для обмена с дозиметром по Bluetooth 5,0.

Светодиодный индикатор выполнен в виде RGB- светодиода, где желтый цвет был использован для индикации низкого уровня заряда батареи, красный - для индикации превышения установленного порога, синий - индикации режима сопряжения по Bluetooth, оранжевый - индикации процесса заряда аккумулятора, зеленый - завершения процесса заряда аккумулятора. Многофункциональная кнопка выполнена в виде SMD микропереключателя, размещенного на печатной плате, которая позволяет управлять режимами работы дозиметра (включение/выключение питания, режим сопряжение по Bluetooth, выбор калибровочных коэффициентов из соответствующего блока энергонезависимой памяти).

Изготовленный дозиметр был использован при исследовании индивидуальной фармакокинетики 131-I у пациента А с диагностированным диффузным токсическим зобом щитовидной железы.

Перед началом исследования в память микроконтроллера (MSP430) через антенну канала Bluetooth с ПК врача-радиолога были внесены персональные данные пациента (ФИО, возраст), идентификационный номер истории болезни, вводимый медицинский изотоп и его первоначальная активность – 6,2 МБк. После перорального введения радифармпрепарата в виде рабочего раствора дозиметр размещали на теле пациента на уровне щитовидной железы, далее из блока калибровочных коэффициентов выбирали коэффициенты K[i], B[i], которые были предварительно определены для соответствующего изотопа 131-I: К = 1.665*10^-6; B = 0.01*10^-6.

Полученные в результате измерения значения текущей скорости счета с газоразрядного детектора обрабатывались микроконтроллером по формуле (1) с использованием указанных калибровочных коэффициентов. Полученные значения мощности амбиентного эквивалента дозы в диапазоне от 0,01 мкЗв/ч до 5000 мкЗв/ч сохранялись в блок данных энергонезависимой памяти каждые 10 минут в течение не менее 48 часов. Результат представлял два массива данных времени после введения и измеренного в соответствующие моменты времени мощности амбиентного эквивалента мощности дозы. Далее переданные на компьютер врача данные через антенну Bluetooth cохранялись, обрабатывались с отображением на экране ПК результатов измерений в виде кривых фармакокинетики 131-I.

Изготовленный дозиметр был также использован для контроля поглощенной дозы радиофармпрепарата на основе 177-Lu в почках у пациента Б. в процессе лечения опухоли предстательной железы.

Перед началом исследования аналогичным образом в память микроконтроллера были внесены данные из истории болезни пациента и данные о первоначальной активности - 11100 МБк. После внутривенного введения радифармпрепарата в виде рабочего раствора дозиметр размещали на теле пациента на уровне почек, далее из блока калибровочных коэффициентов выбирали коэффициенты K[i], B[i], которые были предварительно определены для соответствующего изотопа 177-Lu: К = 1.545*10^-6; B = 0.008*10^-6 .

Полученные в результате измерения значения текущей скорости счета с газоразрядного детектора также обрабатывались микроконтроллером по формуле (1) с использованием указанных калибровочных коэффициентов. Полученные значения мощности амбиентного эквивалента дозы в диапазоне от 5 мкЗв/ч до 20 Зв/ч сохранялись в блок данных энергонезависимой памяти каждые 10 минут в течение не менее 48 часов. Поскольку пациент Б. был изолирован в отдельном боксе после введения радиофармпрепарата для обеспечения радиационной безопасности больницы, передача данных с дозиметра на удаленный компьютер врача осуществлялась через установленный в палате модуль приема сигнала с антенны NFC заявляемого дозиметра. Далее данные cохранялись и обрабатывались с отображением на экране ПК врача результатов измерений в виде кривых фармакокинетики 177-Lu.

Оценка погрешности полученных значений в представленных выше примерах использования заявляемого дозиметра осуществлялась метрологическими методами при сравнении результатов измерения амбиентного эквивалента мощности дозы заявляемым дозиметром с результатами измерения амбиентного эквивалента мощности дозы с эталонного дозиметра ДКС 101, который характеризуется высокой точностью измерений, однако имеет большие габариты и не является носимым устройством для непрерывного индивидуального дозиметрического контроля. При измерении амбиентного эквивалента мощности дозы в диапазоне от 20 мкЗв/ч до 15 Зв/ч от пациентов с введенными радиофармпепаратами на основе 131-I и на основе 177-Lu во всем диапазоне энергий от 15 кэВ до 3,0 МэВ заявляемый медицинский дозиметр показал погрешность не более 7-8 % от результатов измерения аналогичной величины, полученной с использованием устройства ДКС 101. Это демонстрирует низкие значения погрешности измерения амбиентного эквивалента мощности дозы заявляемым дозиметром при одновременном обеспечении удобства применения носимого дозиметра миниатюрного размера, выполненного с возможностью дистанционного мониторирования состояния пациента врачом-радиологом.

Claims (16)

1. Медицинский индивидуальный дозиметр для измерения амбиентного эквивалента мощности дозы излучения от пациента, включающий корпус, снабженный световым индикатором и многофункциональной кнопкой, и расположенные в корпусе: блок управления и обработки данных; блок формирования высокого напряжения; газоразрядный детектор; высоковольтный коммутатор; беспроводной приемо-передающий модуль, блок питания,

где блок управления и обработки данных включает соединенные двусторонней связью энергонезависимую память и микроконтроллер, соединенный двусторонней связью с беспроводным приемо-передающим модулем,

выход многофункциональной кнопки подключен к первому входу микроконтроллера, выход газоразрядного детектора соединен со вторым входом микроконтроллера, первый выход которого соединен с первым входом блока формирования высокого напряжения, первый выход которого, в свою очередь, через высоковольтные диоды подключен к первому и второму входам газоразрядного детектора, соединенного через двустороннюю связь с высоковольтным коммутатором, а второй выход блока формирования высокого напряжения соединен с третьим входом микроконтроллера, второй выход которого соединен со входом высоковольтного коммутатора, а третий выход микроконтроллера соединен со световым индикатором,

а блок питания включает импульсный преобразователь напряжения, аккумуляторную батарею, соединенную через узел контроля заряда с узлом беспроводной зарядки, при этом узел контроля заряда, с одной стороны двусторонней связью соединен с микроконтроллером, с другой стороны соединен с импульсным преобразователем напряжения, выход которого соединен со вторым входом блока формирования высокого напряжения, четвертым входом микроконтроллера, а также входами светового индикатора, беспроводного приемо-передающего модуля и энергонезависимой памяти,

при этом энергонезависимая память содержит блок данных калибровочных коэффициентов и блок измеренных данных, а микроконтроллер выполнен с возможностью выбора из блока данных калибровочных коэффициентов значений под конкретный источник ионизирующего излучения от пациента, вызванного введением радиофармпрепарата, а также с возможностью пересчета текущей скорости счета с газоразрядного детектора в мощность амбиентного эквивалента дозы с учетом выбранных значений калибровочных коэффициентов, и сохранения полученных значений в блок измеренных данных.

2. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что микроконтроллер выполнен с возможностью пересчета текущей скорости счета с газоразрядного детектора в мощность амбиентного эквивалента дозы с учетом значений, содержащихся в блоке данных калибровочных коэффициентов, по формуле

МАЭД = K[i]*CPS-B[i],

где МАЭД - мощность амбиентного эквивалента дозы, CPS - текущая скорость счета; К[i] - калибровочный коэффициент на активность от конкретного изотопа, В[i] –калибровочный коэффициент на фоновую активность, i – код конкретного изотопа.

3. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что беспроводной приемо-передающий модуль содержит антенну канала Bluetooth с возможностью передачи данных энергонезависимой памяти на удаленный компьютер лечащего врача.

4. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что беспроводной приемо-передающий модуль содержит антенну канала NFC, выполненную с возможностью беспроводной передачи данных из блока измеренных данных энергонезависимой памяти на удаленный компьютер лечащего врача через считывающий терминал.

5. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что беспроводной приемо-передающий модуль выполнен с возможностью беспроводной передачи от оператора сигнала на микроконтроллер для выбора конкретных значений из блока данных калибровочных коэффициентов для конкретного источника ионизирующего излучения от введенного пациенту радиофармпрепарата посредством каналов Bluetooth или NFC, при этом приемо-передающий модуль снабжен антеннами Bluetooth или NFC, соответственно.

6. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что энергонезависимая память дополнительно содержит блок данных о пациенте, включая его персональные данные, номер карты и блок технологических параметров дозиметра, включая служебное время счетчика.

7. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что корпус выполнен герметичным и прочным к воздействию пыли и жидкости при погружении в воду на глубину более 1 м с возможностью дезактивации корпуса при загрязнении медицинскими изотопами.

8. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что многофункциональная кнопка выполнена с возможностью включения и выключения дозиметра и беспроводного приемо-передающего модуля, а также с возможностью выбора оператором конкретных значений из блока данных калибровочных коэффициентов.

9. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что световой индикатор выполнен в виде светодиодного элемента с возможностью индикации уровня заряда аккумуляторной батареи и индикации передачи данных из энергонезависимой памяти через беспроводной приемо-передающий модуль.

10. Медицинский индивидуальный дозиметр по п.1, характеризующийся тем, что блок формирования высокого напряжения представляет собой высоковольтный преобразователь, выполненный на основе обратноходового трансформатора.

Images