Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7238

Entwicklung eines Verfahrens zur numerischen Kalibrierung von Teilkörperzählern

H. Doerfel, B. Heide, M. Sohlin

Zusammenfassung
Die Genauigkeit der Aktivitätsbestimmung mit Teilkörperzählern wird beim heutigen Stand der Messtechnik nicht mehr von zählstatistischen Fehlern sondern hauptsächlich von systematischen Fehlern bestimmt. Im Vordergrund steht dabei der durch die Kalibrierung bedingte Messfehler. Dies gilt ganz besonders für niederenergetische Photonenstrahler wie Am-241 und U-235. Erschwerend kommt hinzu, dass diese Nuklide im allgemeinen sehr inhomogen im Körper verteilt sind. Diese Probleme können auch mit den besten physikalischen Phantomen nicht vollständig gelöst werden, da die mit diesen Phantomen ermittelten Kalibrierfaktoren nur außerordentlich schwer auf die individuelle Situation umgerechnet werden können.

Aus diesem Grund wurde in der Hauptabteilung Sicherheit des Forschungszentrums Karlsruhe ein numerisches Verfahren entwickelt, mit dem die Kalibrierfaktoren für Teilkörperzähler individuell berechnet werden können. Das Verfahren basiert auf der Simulation des Strahlentransports von der Strahlenquelle im Körper zu den Detektoren des Teilkörperzählers mit Hilfe eines Monte-Carlo-Codes (MCNP5). Die Entwicklung des Verfahrens erfolgte in mehreren Schritten. Im ersten Schritt wurden einfache Simulationen für Punktstrahler an bestimmten Referenzpunkten in der Messzelle des Teilkörperzählers durchgeführt. Auf diese Weise wurden für die beiden Phoswich-Detektoren sowie die vier HPGe-Detektoren des Teilkörperzählers sowohl die Geometrieabhängigkeit als auch die Energieabhängigkeit des Wirkungsgrades für Punktstrahler berechnet und mit den entsprechenden Messwerten verglichen. Anhand des Vergleichs wurden verschiedene Parameter wie z.B. die Packungsdichte des Reflektormaterials bei den Phoswich-Detektoren sowie das empfindliche Volumen der planaren Kristalle der HPGe-Detektoren empirisch ermittelt. Nach Anpassung dieser Parameter ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den berechneten Wirkungsgradwerten. Aufgrund dieser Übereinstimmung kann man davon ausgehen, dass die Simulation den Strahlentransport und insbesondere die Strahlenabsorption in den Detektoren mit hinreichender Genauigkeit wiedergibt.

Nach der Optimierung der Simulation wurde ein Voxel-Phantom in den Monte-Carlo-Code implementiert. Hierzu wurde der „MEET Man“ Datensatz vom Institut für Biomedizinische Technik der Universität Karlsruhe herangezogen. Nach Implementierung des Voxel-Phantoms wurden Simulationen des Strahlentransports von verschiedenen Quellbereichen (Lunge, Leber, Skelett) zu den Detektoren in verschiedenen Messpositionen (Lunge, Leber, Knie) durchgeführt. Die auf diese Weise ermittelten Kalibrierfaktoren wurden mit den an den physikalischen Phantomen in entsprechender Geometrie gemessenen Kalibrierfaktoren verglichen. Für diese Vergleiche wurden das anthropomorphe Torso-Phantom von HS sowie die anthropomorphen Knochenphantome des „New York University Medical Centers“ (NYUMC) und das anthropogene Knochenphantom des „U.S. Transuranium and Uranium Registry“ (USTUR) herangezogen. Dabei zeigte sich, dass die für die Phoswich-Detektoren für Lungen- und Leberdepositionen berechneten Kalibrierfaktoren mit den am Torso-Phantom gemessenen Werten gut übereinstimmen. Allerdings ist das bei der Simulation ermittelte Wirkungsgradverhältnis der beiden Phoswich-Detektoren wesentlich größer als das gemessene Verhältnis. Diese Diskrepanz konnte auf Asymmetrien der Brustwandstärke beim MEET Man und beim Torso-Phantom zurückgeführt werden. Bei den HPGe-Detektoren ergibt sich bei Summierung über alle Detektoren eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Wirkungsgradwerten. Bei den einzelnen HPGe-Detektoren können allerdings signifikante Diskrepanzen zwischen der Simulation und der Messung auftreten. Diese Diskrepanzen sind darauf zurückzuführen, dass bei den HPGe-Detektoren die Positionierung relativ zu den Rippen infolge des relativ geringen Kristalldurchmessers wesentlich stärker zum Tragen kommt als bei den Phoswich-Detektoren.

Zusammenfassend kann man feststellen, dass die Simulation mit den Messungen am Torso-Phantom weitgehend konsistent ist. Anders verhält es sich beim Vergleich der Simulation mit den Messungen an den Knochenphantomen. Hier ergeben sich teilweise signifikante Unterschiede. So ist der mit der Simulation ermittelte Gesamtwirkungsgrad der Phoswich-Detektoren für eine Am-241-Deposition im Skelett in der Kniemessposition signifikant geringer als alle an den Knochenphantomen gemessenen Werte. Im Gegensatz dazu ist die Querempfindlichkeit der Phoswich-Detektoren für Am-241 im Skelett bei Messung über der Lunge bzw. über der Leber aufgrund der Simulation systematisch größer als die entsprechenden Phantomwerte. Dies liefert eine Erklärung für die in der Vergangenheit häufig beobachteten Inkonsistenzen der in den verschiedenen Messgeometrien abgeschätzten Teilkörperaktivitäten von Am-241.

Development of a procedure for numerical calibration of partial body counters

Abstract
At the present state of the art of in vivo measurement techniques the accuracy of the assessment of the incorporated activity is governed by systematical errors due to the calibration of the counting systems rather than due to counting statistics. This applies especially for the in vivo measurement of low-energy photon emitters such as Am-241 and U-235 which are distributed inhomogeneously within the body. With conventional calibration procedures using physical phantoms these problems cannot be solved completely because those phantoms represent only some standard situations and it is extremely difficult to adopt the phantom calibration factors to the individual measuring situation.

For this reason, in the Main Safety Department of the Research Centre Karlsruhe (FZK) a new procedure has been developed which allows for the calculation of individual calibration factors. The procedure is based on the simulation of the radiation transport from the contaminated organ or tissue within the body to the detector system using Monte-Carlo techniques (MCNP5 code). The development of the procedure was done in several steps. In the first step, simple simulations have been performed for point sources at well defined reference points within the shielding room of the FZK partial body counter. These simulations have been performed for the two phoswich detectors as well as for the four HPGe sandwich detectors of the partial body counter. From these simulations both the energy and the spatial depence of the response of the detectors have been derived and compared to the respective measured functions. Based on this comparison some special parameters such as the density of the reflector material of the phoswich detectors or the effective volume of the planar HPGe crystals have been derived. After implemention of these parameters a very good agreement of the calculated and measured values has been achieved.

After optimisation of the simulation a voxel-phantom was implemented into the MCNP5 code. For this purpose the MEET Man data set of the Institute of Biomedical Techniques of the University Karlsruhe has been applied. After implementation of the voxel-phantom the radiation transport was simulated from different source regions such as lungs, liver and skeleton taking into account different measuring geometries with the detectors being placed above the lungs, liver or knees, respectively. The derived calibration factors were compared to the respective values measured at the LLNL torso phantom and the bone phantoms of the New York University Medical Centers (NYUMC) and the U.S. Transuranium and Uranium Registry (USTUR). When considering the total efficiency of both phoswich detectors, the comparison revealed a very good agreement of calculated and measured calibration factors. There is, however, a discrepancy between the calculated and measured effiency ratios of the phoswich detectors placed over the left and right hand side of the thorax. The discrepancy has been shown to be due to some asymmetries in the chestwall of both the MEET Man and the LLNL torso phantom. The simulation of the HPGe detectors resulted also in a good agreement of calculated and measured total efficiencies.

When considering the single detectors, however, there are significant discrepancies between the results of the simulation and the measurement. These discrepancies are most probably due to the positioning of the HPGe detectors over the thorax. Because of the small diameter of the HPGe detectors it is making a significant difference if the centre of the detector is placed over a rib or over the gap between two ribs.

In general it can be concluded that the simulation is widely consistent with the measurements at the LLNL torso phantom. Contrary, the simulation resulted in some significant inconsistencies with the results of the measurements on bone phantoms of NYUMC and USTUR, respectively. Typically, the calculated efficiency values for the detectors over the knees are smaller than the measured ones wheras the calculated cross-fire efficiency values for the detectors over the lungs and the liver are higher than the measured ones. These findings may explain the inconsistencies of the organ activities of Am-241 measured over lungs, liver and knees in some incorporation cases in the past.

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