Полиуретановая модель тканеэквивалентного органа

Изобретение относится к исследовательским моделям в области измерения дозовых нагрузок на критические органы человека в условиях космических полетов и касается полиуретановой модели тканеэквивалентного органа. Тканеэквивалентное дозиметрическое устройство для измерения дозы ионизирующих излучений содержит корпус, во внутренней полости которого установлено дозиметрическое оборудование. Корпус выполнен с формой и размерами, которые моделируют воздействие ионизирующего излучения на отдельно взятый критический орган человека с учетом самоэкранированности этого органа. В качестве тканеэквивалентного материала используют полиуретан. Распределение толщины корпуса, моделирующего отдельный орган человека, соответствует распределению толщины ткани человека вокруг его соответствующего органа. Дозиметрическое оборудование состоит из сборки пассивных детекторов, трековых детекторов для оценки интегральных дозовых воздействий в смешанных полях дозиметра для исследования вклада в дозу нейтронов и тяжелых заряженных частиц и полупроводниковых детекторов для регистрации заряженных частиц. Составные части корпуса выполнены из одного материала. Корпус содержит внутреннюю полость для размещения пассивных и активных дозиметров с отверстием для вывода кабеля. Изобретение обеспечивает создание конструкции и материалов, которые удовлетворяют требованиям эксплуатации в условиях открытого космического пространства и обитаемых отсеков космических аппаратов. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к учебным научно-исследовательским моделям.

Из уровня техники известны следующие аналоги описанного устройства.

Известен антропоморфный тканеэквивалентный фантом (Смиренный Л.Н. Фантом против радиации / Наука и жизнь. - №7. - 2005, с.78-80). Экранированность мест условного расположения критических органов внешними тканями геометрически максимально приближена к телу человека. В качестве тканеэквивалентного материала использовалась смесь эпоксидной смолы и зерен пшеницы.

Недостатки устройства:

- массогабаритные параметры устройства определяют относительную неэффективность его применения в условиях космического полета. Во время полета размещалось в отдельном кресле;

- конструкция не технологична в изготовлении из-за сложности обеспечения однородности свойств материала в отдельных элементах, плохая адаптация материала к механической обработке;

- создано для применения на беспилотных летательных аппаратах.

Из уровня техники известно также устройство для определения дозы ионизирующих излучений, воздействующих на человека, при неравномерном облучении его тела, включающее антропоморфный тканеэквивалентный фантом человека, внутри которого размещены детекторы ионизирующего излучения (RU 2289826, G01T 1/161, 2006). Его детекторы состоят из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, имеющего форму и размеры, соответствующие форме и размерам исследуемого органа человека и выполненного из органических пластмассовых материалов или в виде емкости, заполненной жидким сцинтиллятором, при этом детектор, определяющий дозу излучения на ткани кроветворного костного мозга, состоит из фотоэлектронного умножителя и волоконного сцинтиллятора, проходящего через точки залегания тканей кроветворного костного мозга. Сцинтилляторы детекторов размещены в местах расположения соответствующих органов и тканей в теле человека. Антропоморфный фантом применяется для определения поглощенных и эффективных доз на отдельные органы человека, в том числе и при неравномерном облучении. Детекторы, размещенные внутри фантома, состоят из фотоэлектронного умножителя и сцинтиллятора, выполненного из органических пластмассовых или жидких материалов, имеющего форму и размеры, близкие к исследуемым органам.

Недостатки устройства:

- массогабаритные параметры в несколько раз превосходят заявленное устройство;

- не адаптировано к применению в условиях космического полета;

- возможность практической реализации конструкции, в том числе описанных сцинтилляторов, приближенных к форме органов человека, не представлена;

- не описаны характеристики предлагаемого тканеэквивалентного материала;

- значительная трудоемкость изготовления, определяющая существенные материальные затраты и ограничение возможности тиражирования.

Известно наиболее близкое к заявленному устройство для измерения дозы ионизирующих излучений, содержащее шарообразный фантом (RU 76465, 2008), в котором выполнены каналы с размещенными в них дозиметрами, фантом выполнен из тканеэквивалентного материала, каналы для размещения дозиметров выполнены таким образом, что оси их лежат в параллельных сечениях фантома, устройство снабжено пеналами, выполненными из тканеэквивалентного материала, дозиметры помещены в пеналы.

Недостатком такого устройства является то, что его корпус имеет простую шарообразную форму и размеры, которые не могут точно смоделировать воздействие ионизирующего излучения на отдельно взятый критический орган человека с учетом самоэкранированности этого органа. Кроме того, в известном решении не указан материал, из которого можно выполнить такой корпус, в составе конструкции присутствуют элементы, соизмеримые с размерами устройства, выполненные из различных материалов, нарушающих тканеэквивалентность изделия, отдельные критические органы выделены условно. Конструкция представляет собой крайне упрощенную модель тела человека, а габаритные размеры ограничивают возможность размещения в малых пространствах (например, в скафандре космонавта).

В заявленном решении тканеэквивалентным материалом является полиуретан, а форма устройства обеспечивает достижение такого важного технического результата как то, что набор устройств данного типа позволяет отдельно смоделировать воздействие ионизирующего излучения на все критические органы человека и создать их необходимую пространственную комбинацию.

В отличие от известных аналогов изобретение решает следующие задачи:

максимальное приближение экранирующих свойств конструкций, моделирующих отдельные органы человека к реальным значениям;

безопасность и экологичность конструкции;

возможность измерения характеристик ионизирующего космического излучения на отдельно взятые критические органы человека при максимально широком энергетическом диапазоне ионизирующих частиц и разнообразии их состава;

максимальное приближение атомарного состава тканеэквивалентного материала к ткани человека, с ориентиром на особенности состава ионизирующего космического излучения;

обеспечение устойчивости конструкции к воздействию внешних дестабилизирующих факторов на этапах транспортировки устройства в земных условиях, выведения на заданную траекторию космического полета и эксплуатации во время полета;

применение материала, не поддерживающего горение, с газовыделением в окружающую среду, не превышающим предельно допустимых концентраций для условий обитаемых отсеков пилотируемых космических аппаратов.

Указанная техническая задача решена за счет того, что полиуретановая модель тканеэквивалентного органа с дозиметрическим устройством для измерения дозы ионизирующих излучений, содержащее корпус, выполненный из тканеэквивалентного материала, во внутренней полости которого установлено дозиметрическое оборудование, характеризуется тем, что корпус выполнен с формой и размерами, которые моделируют воздействие ионизирующего излучения на отдельно взятый критический орган человека с учетом самоэкранированности этого органа, причем геометрия корпуса устройства, моделирующего защищенность отдельного органа, выбрана таким образом, что в области малых толщин защиты, дающих наибольший вклад в дозу, распределение толщин защиты тканеэквивалентного вещества вокруг детектора максимально приближено к самоэкранированности соответствующего органа человека, и доза в органе определяется по формуле

где H - доза, которую надо измерить в органе;

H(x) - кривая ослабления дозы в зависимости от толщины защиты x;

p(x) - функция самоэкранированности органа;

x_min - соответствует минимальной толщине защиты органа,

и при величинах толщины защиты, близких к x_min, дающих наибольший вклад в дозу, корпус имитирует самоэкранированность органа тела человека, а при защитах, близких к x_max, отличием в самоэкранированности корпуса устройства и органа тела человека можно пренебречь, что дает консервативную оценку дозы в органе, а дозиметрическое оборудование состоит из сборки пассивных детекторов, трековых детекторов для оценки интегральных дозовых воздействий в смешанных полях, дозиметра для исследования вклада в дозу нейтронов и тяжелых заряженных частиц и полупроводниковых детекторов для регистрации заряженных частиц.

Составные части его корпуса могут быть выполнены из одного материала.

Корпус может содержать внутреннюю полость для размещения пассивных и активных дозиметров с отверстием для вывода кабеля.

Конструкция и материалы удовлетворяют требованиям эксплуатации в условиях открытого космического пространства и обитаемых отсеков космических аппаратов.

Геометрические размеры обеспечивают возможность размещения в скафандре космонавта.

Дозиметрическое устройство позволяет измерять дозовые нагрузки и динамику дозовых перепадов на отдельные критические органы человека и предназначено для применения в обитаемых отсеках пилотируемых космических аппаратов и экспериментах в открытом космическом пространстве.

Таким образом, тканеэквивалентное дозиметрическое устройство для измерения дозы ионизирующих излучений относится к исследовательским моделям в области измерения дозовых нагрузок на критические органы человека в условиях космических полетов, обеспечивает мониторинг и контроль уровней дозовых нагрузок на критические органы человека на радиационно-опасных объектах.

Конструкция отдельно взятого устройства представляет собой корпус, выполненный из тканеэквивалентного материала - полиуретана системы ТДИ (ТУ2292-031-18563945-2001). Геометрия внешнего контура корпуса, моделирующего отдельный орган, максимально сориентирована на распределение толщины ткани человека вокруг соответствующего органа по методике, описанной в статье Карташова Д.А., Коломенского А.В., Шуршакова В.А. «Методика расчета самоэкранированности критических органов тела человека в антропоморфном фантоме». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2004. №2, стр.52-56.

Во внутренней полости корпуса предусмотрена установка различного дозиметрического оборудования, в том числе:

- сборки пассивных детекторов (ДТГ-4 (ТУ 952511-94) и трековые детекторы CR-39) (предназначены для оценки интегральных дозовых воздействий в смешанных полях);

- "Баббл-дозиметр" КМ09.148.00.00 (предназначен для исследования вклада в эквивалентную дозу нейтронов и тяжелых заряженных частиц);

- полупроводниковые детекторы АБЛК.418219.402 (предназначены для регистрации заряженных частиц).

Устройство обеспечивает мониторинг и контроль уровней дозовых нагрузок на критические органы человека на радиационно-опасных объектах.

1. Пилотируемые и беспилотные космические аппараты. При этом устройство обладает следующими достоинствами:

- максимальная приближенность атомарного состава к тканеэквивалентному веществу по ГОСТ 18622-79 с учетом особенностей ионизирующего космического излучения;

- газовыделение в окружающую среду в концентрациях, не представляющих опасности для здоровья космонавтов;

- пожаробезопасность (конструкция не поддерживает горение);

- устойчивость к перепадам температур (от -40°C до +50°C);

- устойчивость к воздействию влаги и микроорганизмов;

- экологичность и безопасность работы с устройством во время орбитального полета;

- механическая прочность и устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов на этапах транспортировки в земных условиях, выведения на заданную траекторию и космического полета;

- малые массогабаритные параметры.

2. Объекты с ядерными энергетическими установками. Здесь следует отметить хорошую тканеэквивалентность по отношению к нейтронному излучению (-13% по содержанию водорода и +0% по содержанию азота по сравнению с нормативным тканеэквивалентным веществом).

3. Объекты хранения и утилизации радиоактивных отходов, находящихся в жестких климатических условиях. Это обусловлено устойчивостью устройства к перепадам температур (от -40°C до +50°C), воздействию влаги, микроорганизмов и других внешних дестабилизирующих факторов.

4. Рабочие места с повышенными уровнями радиационного воздействия, места длительного пребывания людей. Это обусловлено экологичностью, в том числе низким газовыделением в окружающую среду.

Изобретение реализовано на базе ГНЦ РФ - ИМБП РАН. При этом создан набор тканеэквивалентных дозиметрических устройств, моделирующих разные критические органы человека в отношении воздействия ионизирующего излучения. Возможно их серийное воспроизведение.

Предлагаемое оборудование соответствует государственным санитарно-эпидемиологическим правилам и нормам ГН 2.2.5.686-98, ГН 2.1.6.695-98, ГН 2.1.6.696-98. №77.01.03.229.П.15578.05.1 от 21.05.01 г., является грибостойким и пожаробезопасным для эксплуатации в условиях космического эксперимента в обитаемых гермоотсеках.

1. Полиуретановая модель тканеэквивалентного органа с дозиметрическим устройством для измерения дозы ионизирующих излучений, содержащее корпус, выполненный из тканеэквивалентного материала, во внутренней полости которого установлено дозиметрическое оборудование, отличающаяся тем, что корпус выполнен с формой и размерами, которые моделируют воздействие ионизирующего излучения на отдельно взятый критический орган человека с учетом самоэкранированности этого органа, причем геометрия корпуса устройства, моделирующего защищенность отдельного органа, выбрана таким образом, что в области малых толщин защиты, дающих наибольший вклад в дозу, распределение толщин защиты тканеэквивалентного вещества вокруг детектора максимально приближено к самоэкранированности соответствующего органа человека, и доза в органе определяется по формуле:
,
где Н - доза, которую надо измерить в органе;
Н(х) - кривая ослабления дозы в зависимости от толщины защиты х;
р(х) - функция самоэкранированности органа;
x_min - соответствует минимальной толщине защиты органа;
и при величинах толщины защиты, близких к x_min дающих наибольший вклад в дозу, корпус имитирует самоэкранированность органа тела человека, а при защитах, близких к х_max, отличием в самоэкранированности корпуса устройства и органа тела человека можно пренебречь, что дает консервативную оценку дозы в органе, а дозиметрическое оборудование состоит из сборки пассивных детекторов, трековых детекторов для оценки интегральных дозовых воздействий в смешанных полях, дозиметра для исследования вклада в дозу нейтронов и тяжелых заряженных частиц и полупроводниковых детекторов для регистрации заряженных частиц.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что составные части его корпуса выполнены из одного материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус содержит внутреннюю полость для размещения пассивных и активных дозиметров с отверстием для вывода кабеля.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его конструкция и материалы удовлетворяют требованиям эксплуатации в условиях открытого космического пространства и обитаемых отсеков космических аппаратов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его геометрические размеры обеспечивают возможность размещения в скафандре космонавта.