Пристрої для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

КАФЕДРА ВІДНОВЛЮВАЛЬНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ

ДОМАШНЯ КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни «Радіаційна безпека і дозиметрія»

за темою «Пристрої для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів»

КИЇВ 2021



Зміст

1. Стан та історія розвитку проблеми пристроїв для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів

2. Актуальність запропонованої студентом інновації в роботі

3. Мета та завдання роботи

4. Матеріали і методи, що включає опис використаної апаратури, комп`ютерних програм та біоінженерних технологій

5. Результати розрахункової роботи

6. Обговорення результатів

Висновки



Вступ

Дослідження пристроїв для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів є одним із найбільш технологічно насичених напрямків сучасної медицини. Серед них особливе місце займає іонізуюча радіація, джерелом якої є природні радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів і космічне випромінювання. Вона утворює на Землі так званий природний радіаційний фон [1].

Застосування передових досягнень фундаментальних наук у поєднанні з новітніми інформаційними технологіями значно розширили можливості традиційних методів у лікуванні, а також наблизили до практичного застосування унікальні технології променевого лікування.

Кабінет рентгенодіагностичний (кабінет рентгенівський) -- приміщення для проведення рентгенівських діагностичних досліджень, у тому числі з хірургічним втручанням або під час такого (ангіографічний кабінет, рентген-операційна тощо) [2].

Експлуатація сучасних систем потребує підготовки висококваліфікованого інженерного персоналу, який має володіти міждисциплінарними знаннями та вміннями у галузях загальної та медичної фізики, електроенергетики та електроніки, мікрохвильової та вакуумної техніки, механіки, пневматики, оптики, теплотехніки тощо. Фахівці з електронної техніки повинні мати професійні навички одразу в кількох суміжних галузях (комп'ютерні системи та мережі, системи автоматизованого управління, метрологія тощо). Тому основним завданням спеціаліста з технічного обслуговування сучасних систем є постійна необхідність набуття спеціальних знань у галузі радіаційної медицини, знання теоретичних основ променевої терапії, сучасних методів, технічних та інформаційних засобів реалізації променевого лікування, а також технологій радіаційного моніторингу та забезпечення якості роботи пристроїв для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів.

Залежно від дози і умов опромінення іонізуючі випромінювання можуть завдати гостру або хронічну форму променевої хвороби, а також віддалені наслідки (мутагенну дію, злоякісні новоутворення, лейкоз та ін.). У зв'язку з чим у рентгенівських кабінетах та в відділеннях, де застосовують відкриті і закриті радіоактивні ізотопи повинен здійснюватися комплекс медико-санітарних заходів. Вони включають санітарно-дозиметричний контроль, при якому визначають потужність експозиційної дози, добову або тижневу дозу опромінення (за допомогою індивідуальних дозиметрів), і періодичний контроль рівня випромінювання на робочих місцях, ступінь забруднення радіоактивними речовинами повітря, робітників та інших поверхонь та ін. Стан стаціонарних і нестаціонарних захисних пристроїв та засобів індивідуального захисту пацієнта і медперсоналу.



1. Стан та історія розвитку проблеми пристроїв для блокування та сигналізації рентгенівських кабінетів

Історія рентгенівських пристроїв починається з моменту відкриття рентгенівських променів. Пулюй зосереджується на теоретичних і практичних дослідженнях Х-променів і публікує на цю тему в «Доповідях Віденської академії наук» дві статті. Він вивчає пов'язані з цими променями процеси на атомно-молекулярному рівні. Більше того: створена Пулюєм лампа давала змогу побачити ці невидимі для людського ока промені. І це було феноменальним досягненням. Але авторство у відкритті короткохвильового електромагнітного випромінювання було віддане німецькому фізику Вільгельму Конраду Рентгену, і саме це епохальне відкриття принесло йому звання першого лауреата Нобелівської премії в галузі фізики [3].

Рентгену, зокрема, була добре відома лампа Пулюя, завдяки якій можна було побачити ці загадкові Х-промені. Використовуючи цю лампу, Іван Пулюй робив знімки, які згодом стали називатися рентгенівськими. Але німецький фізик у 1895 році заявив про ці промені першим [3].

В Україні практично відразу після відкриття рентгенівських променів В.К. Рентгеном X-промені стали використовуватися в медицині. Перший рентгенівський кабінет у Києві почав роботу в 1898р. в лікарні Покровського жіночого монастиря. У 1909 р. вже працювали рентгенівські апарати в клініці, у військовому госпіталі, в приватному «Рентгенінстітуте» і у лікарів, які мали приватну практику. Після початку Першої світової війни 2 вересня 1914 року ініціативна група киян створили громадську організацію під назвою «Комісія допомоги пораненим рентгенівським дослідженням», до складу якої увійшли професори і викладачі Київського університету та Київського політехнічного інституту, а також шість лікарів.

Для створення рентгенівського обладнання використовувалися індукторні котушки, трансформатори та ін., надані фізичними кабінетами Університету, Політехнічного інституту, київських гімназій. На базі зібраних рентгенологічних апаратів були відкриті рентгенівські кабінети у військових госпіталях.

У 1925р. видатна вчена Марія Складовська-Кюрі подарувала інституту препарат радію мезоторій, який став використовуватися в інституті. Інститут був перейменований в Київський рентгено-радіологічний інститут з організацією на базі Жовтневої лікарні радіологічного відділення на 12 ліжок.

У 1920 році в Харкові створюється перша Всеукраїнська рентгенівська академія, яка 1925 року була перейменована в Український рентгено-радіологічний інститут. Згодом у грудні 1955 року реорганізовано на Харківський НДІ медичної радіології. В інституті працює перше в Україні відділення ядерної медицини, що займається діагностикою та терапією пухлин. В інституті є єдине в Україні відділення патології загальних і місцевих променевих ушкоджень. Тут проходять лікування постраждалі від аварії на ЧАЕС, а також хворі, які отримали ускладнення внаслідок променевої терапії [4].

У 1972 році, британський інженер Годфрі Хаунсфілд і фізик з Південної Африки Аллан Кормак розробили новий метод візуалізації під назвою комп'ютерна томографія (КТ), який також називають рентгенівською комп'ютерною томографією або «CAT-скануванням». КТ створює тривимірні зображення об'єкта, отримані з серії плоских рентгенівських зображень. Цей метод зробив революцію в діагностиці, і Хаунсфілд і Кормак були удостоєні Нобелівської премії з фізіології та медицини 1979 року [5].



2. Актуальність запропонованої інновації в роботі

До теперішнього часу рентгенограма на фотоматеріалі є основним способом одержання рентгенівського зображення. Однак, з кінця минулого століття ситуація почала змінюватись. Вже в багатьох рентгенівських пристроях промені, що пройшли через організм, падають не на фотоплівку, а на світлочутливі кристали, котрі перетворюють їх в електричні імпульси. В результаті зображення переводиться на дисплей комп'ютера, фіксується на відеодиску, опрацьовується за допомогою електронах пристроїв для одержання додаткової інформації і може бути оперативно передане на будь-яку відстань [1].

Таким чином дотепер питання безпеки пацієнта при проведенні рентгенодіагностичних та рентген терапевтичних процедур залишається актуальним та потребує створення додаткових пристроїв, які можуть збирати інформацію про випромінення та граничний рівень між шкідливою та допустимою дозою випромінення пристрою.

Окрему роль відіграють перевірені часом та досвідом стандарти випромінювання, які є допустими для людини, або відсутність впливу як такого.

Зокрема необхідно створити допоміжний пристрій, який регулює джерело випромінення при аналізі певного рівня дози, оскільки радіаційна доза - один із оточуючих довколишніх факторів який негативно впливає на здоров'я людини та прискорює смерть. Актуальним також є питання не лише для пацієнтів, але й працівників, чия робота певною мірою пов'язана з роботою пристроїв рентген-випромінювання.



3. Мета та завдання роботи

Метою даної роботи є створення нових умов задля регулювання впливу радіаційного випромінювання на людину та довколишнє середовище, а також запобігання потрапляння негативного впливу випромінювання на конкретну персону.

Як було зазначено в попередньому розділі, необхідно створити допоміжний пристрій, який регулює джерело випромінення при аналізі певного рівня дози випромінювання. Відповідно, завданням даної роботи є конструювання нового допоміжного пристрою та створення умов, що здатні регулювати вплив на людину в конкретних умовах та відповідно до конкретно визначених стандартів.



4. Матеріали і методи, що включає опис використаної апаратури, комп`ютерних програм та біоінженерних технологій

4.1 Рентгенівські промені та електромагнітний спектр

Як і всі світлові хвилі, які випромінює сонце -- видимі й невидимі, -- рентгенівські промені є частиною електромагнітного спектру. Рентгенівське випромінювання та його найближчі гамма-промені мають найкоротші довжини хвилі на порядки: довжини хвилі видимого світла знаходяться в області 6000 ангстрем, рентгенівське випромінювання знаходиться в діапазоні одного ангстрема, а гамма-промені - близько 0,0001 ангстрем. Відповідний спектр представлено на рис.1 [6].

Рис.1 Частота і довжина хвилі електромагнітного спектру, включаючи видиме світло та рентгенівські промені

Оскільки рентгенівські промені (і гамма-промені) мають дуже коротку довжину хвилі та високий рівень енергії, вони можуть проникати в матеріали, які не вдається світлом, і вони здатні розірвати хімічні зв'язки в цих матеріалах. Ці довжини хвиль, звані «іонізуючою радіацією», можуть іонізувати або видаляти електрони з атома. Іонізуюче випромінювання може бути небезпечним; при проникненні в клітини живих організмів клітини можуть мутувати або загинути.

Наприклад, надмірне опромінення може призвести до ракових клітин людини або тварин. Але хоча ця здатність -- проходити крізь матеріали, непроникні для видимих світлових хвиль -- може бути небезпечною, вона також зробила рентгенівські промені цінним інструментом для широкого спектру застосувань від надання медичної візуалізації, що рятує життя, до допомоги нам зрозуміти глибокий космос.

4.2 Кратність ослаблення потужності дози рентгенівського випромінювання

При розробці гігієнічних вимог до влаштування та експлуатації рентгенівських кабінетів і проведення рентгенологічних процедур в лікувально-профілактичному закладі необхідно враховувати такі вимоги до стаціонарних засобів радіаційного захисту. Стаціонарні засоби радіаційного захисту процедурної рентгенівського кабінету (стіни, підлога, стеля, захисні двері, оглядові вікна, віконниці тощо) мають забезпечувати ослаблення ікс-проміння до рівня, при якому не буде перевищений річний ліміт дози (ЛД) для відповідних категорій осіб, що опромінюються. Основою розрахунку радіаційного захисту є визначення кратності ослаблення (К) потужності дози рентгенівського випромінювання в даній точці за відсутності захисту (ПД) до значення допустимої потужності дози (ДПД), в одиницях поглинутої або експозиційної дози:

де -- радіаційний вихід -- відношення потужності дози в повітрі в первинному пучку ікс-випромінювання на відстані 1 м від фокусної плями трубки, помноженої на квадрат цієї відстані, до сили анодного струму, мГр · кв. м/(мА·хв) або мР·кв.м/(мА·хв); -- робоче навантаження рентгенівського апарата (мА·хв)/тиж.; -- коефіцієнт спрямованості випромінювання, відн. од.; 30 -- тривалість роботи рентгенівського апарата на тиждень при однозмінній роботі персоналу категорії А (30-годинний робочий тиждень), год/тижд.; -- відстань від фокуса рентгенівської трубки до точки розрахунку, м; -- розрахункова допустима потужність дози за стаціонарним захистом, мГр/год або мР/год.

При розробці гігієнічних вимог до влаштування та експлуатації рентгенівських кабінетів і проведення рентгенологічних процедур в лікувально-профілактичному закладі необхідно враховувати такі положення: До пересувних засобів радіаційного захисту належать: * велика захисна ширма персоналу з оглядовим вікном (одно-, дво-, тристулкова), призначена для захисту всього тіла людини в положенні стоячи; * мала захисна ширма персоналу, призначена для захисту нижньої частини тіла людини в положенні сидячи; * мала захисна ширма пацієнта, призначена для захисту нижньої частини його тіла; * екран захисний поворотний, призначений для захисту окремих органів пацієнта в положенні стоячи, сидячи й лежачи.

Ефективність захисту пересувних засобів радіаційного захисту персоналу й пацієнтів, виражена в значенні свинцевого еквівалента, не повинна бути менше наведених значень (табл. 1).

Найменування пересувних засобів радіаційного захисту	Мінімальне значення свинцевого еквівалента, мм Pb
Велика захисна ширма	0,25
Мала захисна ширма лікаря	0,50
Мала захисна ширма пацієнта	0,50
Екран захисний поворотний	0,50

Для оцінки умов праці при роботі з джерелами г-випромінювання і розрахунку захисту від зовнішнього опромінення користуються формулами, які визначають залежність дози опромінення від кількості радіонукліду (активності джерела), часу опромінення і відстані між джерелом випромінювання і опромінюваним об'єктом.

, або

де - активність джерела в мілікюрі; - -постійна радіонукліду; - час опромінення за робочий тиждень - у годинах; - відстань між джерелом і опромінюваним об'єктом в см; - еквівалент джерела в мг/екв радію; - г-постійна радію.

Оцінка умов праці проводиться шляхом порівняння розрахункової дози з гранично допустимою - 100 мрентген/тиждень (0,1 рентген/тиждень). Перетворивши вище згадану формулу відносно Q, t або R, можна визначити при необхідності умови праці, що забезпечують безпеку персоналу. У перетворених формулах доза опромінення позначається Dо і відповідає гранично допустимій дозі за робочий тиждень - 0,1 рентген.

У тому випадку, якщо захист кількістю, відстанню або часом не забезпечує радіаційну безпеку, застосовують екранування. Для визначення товщини захисного екрану знаходять перш за все кратність послаблення - число, що показує, у скільки разів необхідно послабити випромінювання, щоб створена доза опромінення не перевищувала допустиму. Кратність послаблення знаходять за формулою:

де - розрахункова доза опромінення для конкретних умов роботи; - гранично допустима доза опромінення. Знаючи кратність послаблення, по кількості шарів половинного послаблення або за спеціальними таблицями знаходять товщину захисного екрану з відповідного матеріалу [7].



4.3 Учбова інструкція з методики розрахунку товщини захисних пристроїв від рентгенівського випромінювання

Розрахунок товщини захисних огороджень рентгенкабінету, захисних ширм і екранів складається з трьох дій:

- визначення необхідного коефіцієнта послаблення рентгенівського випромінювання (К);

- визначення товщини захисту із свинцю, необхідного для зниження потужності поглинутої в повітрі дози, створюваної джерелом рентгенівського випромінювання, до допустимої величини;

- перерахунку знайденої товщини захисту із свинцю на той матеріал, з якого проектуються або існують захисні огородження або інші пристрої.

Для визначення коефіцієнта послаблення рентгенівського випромінювання користуються формулою:

де - стандартний анодний струм рентгенівської трубки (мА); - відстань від рентгенівської трубки до захисту (м); - допустима потужність експозиційної дози випромінювання (Р/година).

у приміщеннях, призначених для постійного перебування персоналу 1,7 мР/година-для проектування захисту, 3,4 мР/година-для контролю захисту; в інших приміщеннях 0,12 мР/година-для проектування захисту; 0,24 мР/година-для контролю захисту; в палатах для хворих 0,03 мР/година-для проектування захисту, 0,06 мР/година-для контролю захисту. Визначення необхідної товщини захисту із свинцю в залежності від коефіцієнта послаблення та послідуючий перерахунок її на інші матеріали здійснюється за допомогою спеціальних таблиць [7].



4.4 Розробка схеми пристрою

Для даної роботи запропоновано регулятор зі стабілізованим джерелом живлення радіаційного випромінювання. За зразок було взято роботу «Стабільне джерело живлення світлодіодних світильників» [8]. Запропоновано схему на рис.2, яка регулює потік випромінювання, а також може бути енергозберігаючою.

Джерела радіаційного випромінювання значні нелінійні вольт-амперні та люміноамперні характеристики, тому задля забезпечення довготривалої роботи необхідно стабілізатор, що здатен працювати на нелінійне навантаження, створює мінімальний рівень радіозавад та високочастотних гармонік у мережі живлення.

Рис.2 Блок-схема стабілізатора з вольт-добавкою

Напруга мережі подається через вхідний фільтр на первинну обмотку трансформатора . Вторинна напруга подається на мостовий некерований випрямляч , а до керованого випрямляча вольт-добавки , , , . Вхідна напруга фільтра являє собою суму напруг двох випрямлячів. Форма цієї напруги являє собою суму двох напівсинусоїд, одна з них менше, а інша більше, але усічена. Змінюючи, за допомогою системи імпульсно-фазового керування (СІФК), моменти подачі імпульсів управління (кут ) тиристорами можна управляти середнім значенням випрямленої напруги .

Стабілізатор являє собою замкнену систему автоматичного регулювання вихідної напруги, що подаються до джерел випромінювання .

У цю систему входять: вимірювальний ВЕ та опорний ОЕ елементи, два сигнали яких подаються на порівнюючий пристрій системи керування, система імпульсно-фазового керування СІФК, давач випромінювання ДВ та мікроконтролер. Зокрема останній виконує функцію порівняння (порівняльний пристрій ПП) - за допомогою вимірювання кількох сигналів. Підсилений різницевий сигнал помилки керування подається на СІФК. Тут здійснюється перетворення сигналу помилки в імпульси керування тиристорами, що синхронізуються напругою живлення мережі.

Елемент та частина електричної схеми, який здійснює вимірювання процесів вимірювання поглиненої дози, або еквівалентної дози іонізуючого випромінювання, а також їх потужності - це давач випромінювання (ДВ), який відповідні покази передає до порівняльного пристрою.

Задля забезпечення середнього значення напруги на вході пасивного фільтра необхідно виконати умову

де - середнє значення випрямленої напруги некерованого випрямляча; - середнє значення напруги вольт-добавки.

Оскільки



де , - діючі значення на вторинних обмотках трансформатора . В результаті інтегрування та додавання виразів отримано:

де - кут регулювання тиристорами.

Позначивши

та , отримаємо

За допомогою даного рівняння визначимо закон зміни кута керування

Кут керування може змінюватися в межах . За мінімального значення діючої напруги кут керування , а напруга

.

При : , а напруга .



Окрім постійної складової випрямлена напруга містить також змінну, що складається з ряду чотирьох гармонік. Відповідно до розкладу в ряд Фур`є:

де пульсація випрямляча; - номера гармонічних складових.

Для вибору типу діодів та тиристорів випрямляча необхідно знати максимальне значення прямої та зворотної напруги, що прикладені до них, а також середнє та діюче значення струмів, що протікають. Найбільше значення зворотної напруги прикладається на закриті діоди та тиристори при

Середнє та діюче значення струмів через діоди та тиристори розраховуються за формулами:

, ,

де ,

- прямий опір світлодіодів; - обмежувальний опір.

Діюче значення струмів первинної та вторинної обмоток трансформатора відповідно дорівнюють



,

Розрахункова потужність трансформатора



5. Результати розрахункової роботи

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розроблено методологію визначення приладу випромінювання як складної системи, яка уможливлює виконання інженерного розрахунку моделі джерела випромінювання та його компонентів на стадії вибору сфери застосування й підвищити значення ефективності кінцевого виробу.

2. Наведено результати дослідження стабілізатора напруги, що підключається до промислової мережі та призначеного для живлення джерел випромінювання. За наведеними співвідношенням знаходяться прямі та зворотні напруги та струми, а за їх значеннями визначаються типи діодів та транзисторів.



Висновок

блокування рентгенівський кабінет сигналізація

При виконанні роботи наведено основні вимоги до влаштування та експлуатації рентгенівських кабінетів і проведення рентгенологічних процедур в лікувально-профілактичному закладі, розрахунок товщини захисних огороджень рентген-кабінету, захисних ширм і екранів

На сьогоднішній день важливим є цілий ряд факторів, яким користується суспільство, одним із важливих є енергозбереження та енергоефективність, а також рівень випромінювання. Наведено основні співвідношення, що дозволяють зробити розрахунок елементів силової частини стабілізатора та системи управління.

При розробці нового приладу регулювання випромінювання повинні враховуватися його естетика, ергономічність при виробництві та існуючі стандарти.



Література

1. І.М. Гудков. Радіобіологія: Підручник для вищ. навчальних закладів. - К.: НУБіП України, 2016.

2. Баєва О. В. Методичні рекомендації щодо забезпечення самостійної роботи студентів з дисципліни “Санітарно-епідеміологічне забезпечення роботи медичних закладів” (для спеціалістів, магістрів). -- К.: ДП «Вид. дім «Персонал», 2014. -- 40 с.

3. Чудо-промені видатного українця. Іван Пулюй. Електронний ресурс: https://www.ukrinform.ua/rubric-culture/2867756-cudopromeni-vidatnogo-ukrainca-ivan-puluj.html

4. Радіологія Том 1 (підручник для студентів стоматологічного факультету) / [Югов В.К., Васько Л.М., Жукова Т.О., Почерняєва В.Ф., Баштан В.П., Скрипніков П.М.]. - Полтава, 2018. - 278с.

5. The X Factor: 125 Years of X-Ray Innovation. Електронний ресурс: https://www.radiantvisionsystems.com/blog/x-factor-125-years-x-ray-innovation

6. Tang, J., “Unlocking Potential for Microwaves for Food Safety and Quality”, Journal of Food Science, August 2015. DOI:10.1111/1750-3841.12959

7. Катрушов О.В. Методичні вказівки для самостійної роботи студентів під час підготовки до практичного заняття "Гігієна та екологія з гігієною дитячого та підліткового віку". МОЗ України, УМСА. С.30. 2020 р.

8. Бєлоусов Д.А. Стабілізоване джерело живлення світлодіодних світильників. Світлотехніка та електроенергетика, № 2 (42), Харків, с.10, 2015.

Размещено на Allbest.ru

...