Os³ony elastomerowe redukuj¹ce dawki promieniowania X w technikach tomografii komputerowej )

Transkrypt

1 POLIMERY 2013, 58, nr EDYTA KUSIAK 1),), MARIAN ZABORSKI 1), MARIA ANNA STANISZEWSKA 2), HENRYK BEM 3), PIOTR SZAJERSKI 3), W ODZIMIERZ BARYÑ 1) Os³ony elastomerowe reukuj¹ce awki promieniowania X w technikach tomografii komputerowej ) Streszczenie Opracowano bezo³owiowe os³ony reukuj¹ce awki promieniowania w iagnostyce technikami tomografii komputerowej. Postawê stanowi³a matryca z kauczuku naturalnego nape³nionego tlenkami: bizmutu, wolframu lub gaolinu. Ze wzglêu na generowanie przez bizmut wtórnego promieniowania fluorescencyjnego rozszerzono pierwotne sk³ay kompozytów. Stwierzono, e otrzymane kompozyty kauczuku naturalnego zawieraj¹ce kombinacje tlenków metali charakteryzowa³y siê u ymi wartoœciami masowych wspó³czynników poch³aniania, wp³ywa³y na reukcjê natê enia promieniowania paaj¹cego o energii: E = 60 kev o ok. 50 % a o energii E = 122 kev o ok. 20 %. Jenoczeœnie prawie wszystkie próbki wulkanizatów wykazywa³y korzystne w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. S³owa kluczowe: kauczuk naturalny, tlenek bizmutu, tlenek wolframu, tlenek gaolinu, tlenek antymonu, promieniowanie X. ELASTOMER SHIELDS REDUCING X-RADIATION DOSES IN COMPUTED TOMOGRAPHY TECHNIQUES Summary We have evelope lea-free shiels reucing the raiation oses in the iagnostic compute tomography techniques. They are base on natural rubber matrix with oxies of bismuth, tungsten an gaolinium as fillers. Due to the generation of seconary fluorescence raiation by bismuth, the stuy was extene to other compositions. The obtaine natural rubber composites containing the combinations of metal oxies were characterize by high values of the mass absorption coefficient, which effecte in the reuction in the intensity of incient raiation with an energy E = 60 kev by about 50 % an for E = 122 kev by about 20 %. It shoul be note that virtually all vulcanizates showe goo strength properties. Keywors: natural rubber, bismuth oxie, tungsten oxie, gaolinium oxie, antimony oxie, X-rays. WSTÊP 1) Politechnika ózka, Instytut Technologii Polimerów i Barwników, ul. Stefanowskiego 12/16, óÿ. 2) Uniwersytet Meyczny w ozi, Zak³a Meycznych Technik Obrazowania, ul. Jaracza 63, óÿ. 3) Politechnika ózka, Miêzyresortowy Instytut Techniki Raiacyjnej, ul. Wróblewskiego 15, óÿ. ) Autor o koresponencji; eyta.kusiak@pl.loz.pl ) Artyku³ stanowi czêœæ wyst¹pienia wyg³oszonego w ramach VII Kongresu Technologii Chemicznej TECHEM, 8 12 lipca 2012 r., Kraków. Metoa tomografii komputerowej (Computer Tomography, CT) jest wa n¹ i klinicznie efektywn¹ technik¹ obrazowania [1]. Promieniowanie wykorzystywane w technice CT stanowi ok. 10 % ca³ego promieniowania jonizuj¹cego stosowanego w technikach obrazowych, ale ostarcza przesz³o 50 % ca³kowitej awki zbiorowej w iagnostyce obrazowej [2]. Dawki promieniowania X, jakiemu poaje siê pacjenta w trakcie wykonywania baañ zale ¹ o wielu czynników, np. o rozaju tkanki. Typowa awka promieniowania w przypaku baañ jamy brzusznej lub mienicy u oros³ego pacjenta wynosi 6 10 msv [3]. Zakres efektywnej awki, wyra aj¹cej stopieñ nara enia ca³ego cia³a na promieniowanie, nawet przy napromieniowaniu tylko wybranych partii cia³a [4], la CT g³owy wynosi 0,77 1,21 msv, la klatki piersiowej 3,96 6,2 msv natomiast la jamy brzusznej 7,56 11,7 msv [5]. Dawka efektywna stanowi sumê awek równowa nych o napromienienia zewnêtrznego i wewnêtrznego we wszystkich tkankach i narz¹ach z uwzglênieniem opowienich wspó³czynników wagowych [4]. Wspó³czynniki wagowe uwzglêniaj¹ promieniowra liwoœæ poszczególnych tkanek zwi¹zan¹ z wywo³ywaniem okreœlonych skutków stochastycznych. Wysokie awki promieniowania mog¹, jak wiaomo, zwiêkszaæ ryzyko zachorowania na raka [6], stosowanie natomiast ni szych awek prowazi o otrzymania obrazu z artefaktami; istotne zatem jest zachowanie równo-

2 520 POLIMERY 2013, 58,nr7 8 wagi pomiêzy ¹ eniem o uzyskania jakoœciowo obrych zjêæ tomograficznych a ochron¹ pacjenta. Jen¹ z meto umo liwiaj¹cych znalezienie kompromisu jest wykorzystanie nowoczesnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych w tomografach komputerowych [7 10]. Do otrzymywania materia³ów poch³aniaj¹cych promieniowanie jonizuj¹ce, oprócz klasycznych zwi¹zków o³owiu stosuje siê, m.in. zwi¹zki bizmutu [11, 12]. Najpowszechniejsze w u yciu s¹ os³ony z o³owiu o gruboœci ok. 0,7 mm, os³ony o gruboœci wiêkszej ni 0,7 mm nie s¹ zalecane, korzyœci w zakresie reukcji awki s¹ bowiem niewielkie, a zwiêksza siê yskomfort pacjenta [13]. Os- ³ony zawieraj¹ce zwi¹zki bizmutu mog¹ byæ wykorzystywane o ochrony organów szczególnie wra liwych, takich jak: oczy, tarczyca i gonay [14]. Os³ony bizmutowe mog¹ jenak równie ograniczaæ iloœæ promieniowania ocieraj¹cego o etektora, co w konsekwencji mo e prowaziæ o wzrostu szumów i artefaktów. Nastêpuje wówczas rzeczywisty wzrost awki promieniowania Co KG, tlenek gaolinu 99,9 %, Sigma-Alrich Chemie GmbH oraz tlenek antymonu 99 %, ACROS Ogranics. Oœrokiem elastomerowym by³ kauczuk naturalny NR RSS gatunek I (kraj pochozenia Malezja, ostawca firma Torimex-Chemicals Lt. Sp. z o.o.). Do sieciowania u yto siarki S 8 pro. Z.P.S. Siarkopol, tlenku cynku ZnO, pro. Huta Bêzin, 2-merkaptobenzotiazolu MBT, pro. Pneumax MBT. Przygotowanie próbek o baañ Do 100 cz. mas. kauczuku naturalnego oawano po 2 cz. mas. siarki i MBT, 5 cz. mas. ZnO, 1 cz. mas. kwasu stearynowego oraz po 50 cz. mas. nape³niaczy. Sk³ay mieszanek poano w tabeli 1. Mieszanki gumowe sporz¹zano za pomoc¹ walcarki laboratoryjnej o wymiarach walców L = 400 mm i D = 200 mm. Szybkoœæ obrotowa przeniego walca wynosi³a V p = 20 obr./min, a wspó³czynnik frykcji f = 1,1. Tabela 1. Sk³ay mieszanek elastomerowych Table 1. Compositions of elastomer mixtures Sk³anik NR/Bi NR/W NR/G NR/Bi + W NR/Bi +W+G NR/Bi +W+G+Sb RSS ZnO Siarka MBT Stearyna Bi 2 O WO G 2 O Sb 2 O 3 50 wp³ywaj¹cy na wewnêtrzne techniki jej moulacji w skanerach [15]. Przeprowazone baania otyczy³y zastosowania kombinacji tlenku bizmutu, tlenku wolframu, tlenku gaolinu oraz tlenku antymonu jako zamienników zwi¹zków o³owiu w obecnie u ywanych os³onach zabezpieczaj¹cych prze promieniowaniem X w iagnostyce CT. W Polsce nie proukuje siê tego rozaju os- ³on. Doatkow¹ zalet¹ charakteryzuj¹c¹ zaproponowane kompozyty z kauczuku naturalnego nape³nianego tlenkami metali ciê kich, by³a znacznie mniejsza ich toksycznoœæ oraz wartoœci masowych wspó³czynników poch³aniania porównywalne z wykazywanymi przez PbO. Materia³y CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA Zastosowano nastêpuj¹ce substancje absorbuj¹ce promieniowanie rentgenowskie: tlenek bizmutu techn., firmy Aktyn, tlenek wolframu 99,8 %, Alfa Aesar GmbH & Proces wulkanizacji prowazono w prasie hyraulicznej po ciœnieniem ok. 15, w temp. 150 C w ci¹gu 15 min. Otrzymano próbki wulkanizatów o wymiarach 8 12cmigruboœci 1 mm. Metoy baañ Absorpcjê promieniowania X oceniano stosuj¹c spektrometr firmy Canberra. Detektorem promieniowania by³ licznik scyntylacyjny NaI(Ta) o œrenicy 3 cali, po- ³¹czony o wielokana³owego analizatora amplituy impulsów. Schemat zestawu o absorpcji promieniowania przestawia rys. 1. Zastosowano wa rozaje Ÿró³a promieniowania: 241 Am (60 kev) o aktywnoœci 40 kbq oraz 57 Co (122 kev) wykazuj¹cy aktywnoœæ 115 kbq. Absorpcjê oznaczano na postawie pomiaru aktywnoœci anego piku w funkcji liczby próbek materia³u poch³aniaj¹cego promieniowanie. Reukcjê awki w kompozycie obliczano ze wzoru:

3 POLIMERY 2013, 58, nr etektor I I o e (1) gzie: I natê enie promieniowania po przejœciu przez kompozyt elastomerowy, I o natê enie promieniowania paaj¹cego, / masowy wspó³czynnik absorpcji promieniowania, gruboœæ absorbera. Wzrost awki spowoowany wzbuzonym promieniowaniem X oatków metalicznych oceniano na postawie wzoru [14]: I rme k I o 1e gzie: I rme wzrost natê enia wzbuzonego promieniowania X,k krotnoœæ os³abienia wi¹zki promieniowania. Wyniki oœwiaczeñ porównano z wartoœciami teoretycznymi. Obliczanie masowego wspó³czynnika os³abienia Wartoœci / opowiaaj¹ce atomom wêgla i bizmutu (g³ówne sk³aowe w próbce) pochoz¹ z anych literaturowych. Dla wartoœci energii promieniowania paaj¹cego E = 60 kev, / Bi = 5,16 cm 2 /g, / C = 0,2 cm 2 /g. ã p³ytki (2) zaw. mas. Bi zaw. mas. C (3) kompozyt Bi C Na postawie pomiarów absorpcyjnych okreœlono równowa nik o³owiu (Pn eq, mm), charakteryzuj¹cy gruboœæ warstwy o³owiu os³abiaj¹c¹ promieniowanie rentgenowskie o anej energii w takim samym stopniu, jak any materia³ ochronny o okreœlonej gruboœci. Równowa nik o³owiu obliczano z zale noœci: kompozyt kompozyt Pn eq (4) Pb 01, Pb gzie: (/) kompozyt masowy wspó³czynnik poch³aniania w kompozycie, kompozyt gêstoœæ powierzchniowa jenej p³ytki ã wielkokana³owy analizator amplitu impulsów Ÿró³o promieniowania Rys. 1. Schemat zestawu pomiarowego absorpcji promieniowania Fig. 1. Scheme of the measurement system of raiation absorption kompozytu, (/) Pb masowy wspó³czynnik poch³aniania w o³owiu, Pb gêstoœæ o³owiu (11,3 g/cm 3 ) la E = 60 kev (/) Pb = 4,47 cm 2 /g, la E = 122 kev (/) Pb = 3,44 cm 2 /g. Z u ytkowego punktu wizenia istotna, choæ nie najwa niejsza jest ocena w³aœciwoœci mechanicznych wytworzonych kompozytów elastomerowych. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie okreœlano zgonie z PN-ISO 37:1998, stosuj¹c próbki wiose³kowe typu w-3. Baania prowazono w temperaturze pokojowej przy u yciu uniwersalnej maszyny wytrzyma³oœciowej firmy Zwick 1435, po³¹czonej z opowienio oprogramowanym komputerem. Prêkoœæ rozci¹gania wynosi³a 500 mm/min. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE Wyznaczone oœwiaczalnie wartoœci masowych wspó³czynników poch³aniania promieniowania X (/) (E = 60 kev lub E = 122 kev) wytworzonych kompozytów zestawiono z wartoœciami / opracowanymi teoretycznie la promieniowania X (tabela 2). T a b e l a 2. Teoretyczne i wyznaczone oœwiaczalnie wartoœci masowych wspó³czynników poch³aniania promieniowania X (E = 60 kev i E = 122 kev) wytworzonych kompozytów elastomerowych z uzia³em ró nych rozajów substancji absorbuj¹cych T a b l e 2. Comparison of theoretical an experimental values of the mass absorption coefficients of X-rays (E = 60 kev an E = 122 kev) for the elastomer composites containing various types of absorbing substances Masowy wspó³czynnik absorpcji, cm 2 /g teoretyczny oœwiaczalny teoretyczny oœwiaczalny E =60keV E = 122 kev NR/Bi 1,4 1,2 1,0 0,7 NR/W 0,9 0,7 0,6 0,4 NR/G 3,2 2,1 0,9 0,7 NR/Bi + W 3,5 3,3 1,6 1,3 NR/Bi +W+G 3,6 3,5 1,7 1,3 NR/Bi +W+G+Sb 3,8 3,6 1,5 0,9 Wiêkszoœæ z baanych kompozytów charakteryzuje siê wartoœciami / zbli onymi o wyznaczonych teoretycznie, co oznacza, e sk³a kompozytów opracowano poprawnie. Elastomery zawieraj¹ce Bi 2 O 3, WO 3 lub G 2 O 3 wykazuj¹ stosunkowo niewielkie masowe wspó³czynniki poch³aniania, a obliczony na ich postawie równowa nik o³owiu (tabela 3) wynosi 0,022 0,720 mm la E = 60 kev oraz 0,017 0,033 mm la E = 122 kev. Kompozyt NR/G charakteryzuje siê najwiêksz¹ wartoœci¹ Pn eq, uwzglêniaj¹c jenak aspekty ekonomiczne, jako bazow¹ substancjê czynn¹ wybrano tlenek bizmutu.

4 522 POLIMERY 2013, 58,nr7 8 T a b e l a 3. Wp³yw oatku o kauczuku naturalnego tlenku bizmutu, tlenku wolframu lub tlenku gaolinu na wartoœci równowa nika o³owiu, energia promieniowania E = 60 kev (Ÿró³o 241 Am) lub E = 122 kev (Ÿró³o 57 Co) T a b l e 3. Effect of bismuth oxie, tungsten oxie an gaolinium oxie aitives to natural rubber on the values of lea equivalent for energy E = 60 kev (raiation source 241 Am) an E = 122 kev (raiation source 57 Co) Symbol Gêstoœæ powierzchniowa, Równowa nik o³owiu, mm próbki g/cm Am 57 Co NR/Bi 0,149 0,035 0,025 NR/W 0,143 0,022 0,017 NR/G 0,176 0,072 0,033 Zastosowanie materia³u os³onowego umo liwia obserwacjê wóch zjawisk: poch³aniania wyjœciowego promieniowania X, emisji wtórnego, wzbuzonego w kompozycie, promieniowania X. Rysunek 2 przestawia wimo emisyjne z kauczuku naturalnego nape³nionego tlenkiem bizmutu. Po absorpcji czêœci promieniowania X o energii 122 kev obserwuje siê pojawienie pików opowiaaj¹cych wzbuzonemu charakterystycznemu promieniowaniu X bizmutu, o wartoœciach energii: E = 74,8 kev, 77,1 kev, 86,8 kev, 87,3 kev i 89,8 kev. To wzbuzone w próbce promieniowanie X jest Ÿró- ³em oatkowej awki la napromienianego organu i czêœciowo niweluje efekt poch³aniania promieni X przez kompozyt elastomerowy. W celu zminimalizowania natê enia wzbuzonego promieniowania, w sk³azie kompozytu elastomerowego uwzglêniono oatki metaliczne czêœciowo absorbuj¹ce ten rozaj promieniowania. Z otychczasowych baañ wynika, e tlenek wolframu powouje promieniowanie wtórne, ale o ni szej energii. Zaobserwowano, e oany tlenek gaolinu niweluje ten efekt, ale jenoczeœnie powstaje promieniowanie fluorescencyjne, wygaszane z kolei przez tlenek antymonu. Wprowazona o mieszanki elastomerowej kombinacja tlenków metali wp³ynê³a oczywiœcie na wzrost wartoœci / (tabela 2). Przek³aa siê to na poprawê zolnoœci materia³u o poch³aniania promieniowania X, czyli wzrost równowa nika o³owiu (tabela 4). T a b e l a 4. Wp³yw obecnoœci omieszek metali w kompozycie kauczuku naturalnego na wartoœci równowa nika o³owiu, energia promieniowania E = 60 kev (Ÿró³o 241 Am) lub E = 122 kev (Ÿró³o 57 Co) T a b l e 4. Effect of the presence of metal oxie aitives in the natural rubber composite on the values of lea equivalent for energy E = 60 kev (raiation source 241 Am) an E = 122 kev (raiation source 57 Co) Gêstoœæ Równowa nik o³owiu, mm powierzchniowa, g/cm Am 57 Co NR/Bi + W 0,193 0,126 0,064 NR/Bi +W+G 0,225 0,156 0,075 NR/Bi +W+G+Sb 0,223 0,163 0,051 N, zliczenia/1800 s , , E, kev 88,8+87,3 89,8 Rys. 2. Wimo emisyjne promieniowania X z kompozytu kauczuku naturalnego zawieraj¹cego tlenek bizmutu, Ÿró³o wzbuzenia Co-57 (E = 122 kev) Fig. 2. X-ray emission spectrum of the natural rubber composite containing bismuth oxie, extitation source Co-57 (E = 122 kev) Z pomiaru absorpcji wynika, e w przypaku wulkanizatu NR/Bi/W/G os³abienie promieniowania X, wyra- one stosunkiem natê enia paaj¹cego (I o ) o natê enia po przejœciu przez próbkê (I), nastêpuje o ok. 50 % (E = 60 kev) la energii o wartoœci E = 122 kev o ok. 20 % (tabela 5). T a b e l a 5. Os³abienie promieniowania X po przejœciu przez os- ³onê z wytworzonego kompozytu elastomerowego nape³nianego tlenkami metali T a b l e 5. X-ray attenuation upon passing through the shiel mae from elastomer composite fille with metal oxies Kompozyt Os³abienie promieniowania o energii 60 kev Os³abienie promieniowania o energii 122 kev NR/Bi + W 0,57 0,80 NR/Bi + G 0,50 0,77 NR/Bi +W+G+Sb 0,49 0,84 Wp³yw tlenków metali na w³aœciwoœci mechaniczne wulkanizatów przy rozci¹ganiu zamieszczono w tabeli 6. Doatek tlenków metali nie wp³yn¹³ w istotny sposób na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, jej wartoœæ pozostaje na poziomie 12 19, wy³u enie przy zerwaniu te nie ulega wiêkszym zmianom. W³aœciwoœci te w przypaku

5 POLIMERY 2013, 58, nr Tabela 6. Wp³yw oatku tlenków metali na w³aœciwoœci mechaniczne wulkanizatów z kauczuku naturalnego Table 6. Effect of metal oxie aitives on the mechanical properties of natural rubber vulcanizates wy³u eniu 100 % wy³u eniu 200 % wy³u eniu 300 % Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie Wy³u enie wzglêne przy zerwaniu, % NR 0,7 1,2 1, NR/Bi 0,7 1,3 2, NR/W 0,8 1,3 2, NR/G 0,9 1,7 2, NR/Bi + W 1,2 2,0 3, NR/Bi+W+G 1,3 2,1 3, NR/Bi+W+G+Sb 1,7 2,8 4, kompozytów kauczuku naturalnego z uzia³em tlenków metali s¹ jenak gorsze ni w³aœciwoœci nienape³nionego kauczuku NR. WNIOSKI Wulkanizat z kauczuku naturalnego zawieraj¹cy tlenek gaolinu charakteryzowa³ siê najwiêksz¹ wartoœci¹ masowego wspó³czynnika poch³aniania promieniowania X. Ze wzglêu jenak na jego barzo wysok¹ cenê, jako postawow¹ substancjê aktywn¹ wybrano tlenek bizmutu, o poobnej wartoœci wspó³czynnika poch³aniania /. Baania absorpcji promieniowania jonizuj¹cego wykaza³y jenak, e bizmut jest emiterem promieniowania fluorescencyjnego. W celu reukcji tego zjawiska o mieszanki wprowazono tlenek wolframu a nastêpnie tlenek gaolinu oraz tlenek antymonu. Zastosowanie tego ostatniego nie wp³ynê³o w istotnym stopniu na zmniejszenie wartoœci równowa nika o³owiu. W³aœciwoœci mechaniczne wytworzonych kompozytów kauczuku naturalnego z uzia³em omieszek metali by³y gorsze ni czystego kauczuku, jenak naal korzystne. Stwierzono, e optymalny sk³a kompozytu, przeznaczonego na os³ony reukuj¹ce awki promieniowania X poczas baañ meto¹ tomografii komputerowej, uwzglênia uzia³ tlenku bizmutu, tlenku wolframu i tlenku gaolinu. Baania finansowane z projektu NR /2010. LITERATURA 1. Dougeni E., Faulkner K., Panayiotakis G.: Eur. J. Raiol. 2012, 81, Committee on the Effects of Atomic Raiation UNSCEAR Report to the General Assembly with Scientific Annexes. Sources an effects of ionizing raiation, org/ocs/reports/2008/ Report 2008 Annex A.pf [last accesse ], Eur. J. Raiol. 2012, oi: /j.ejra Tsapaki V., Rehani M., Saini S.: Semin. Ultrasoun. CT MRI 2010, 31, Mitchell E. L., Furey P.: J. Vasc. Surg. 2011, 53, Huang Y. H., Wu T. H., Su C. T., Chen M. C. i inni.: Raiat. Phys. Chem. 2004, 71, Jafari M. E., Simmons L. D.: J. Am. Coll. Raiol. 2011, 8, Kalra M. K., Maher M. M., Toth T. L. i inni.: Raiology 2004, 230, Mahesh M.: MDCT physics: the basics-technology, image quality an raiation ose, Philaelphia, Pa, Lippincott Williams & Wilkins, McCollough C. H., Primak A. N., Braun N., Kofler J. i inni.: Raiol. Clin. N. Am. 2009, 47, Abul-Kasim K., Strömbeck A., Sahlstran-Johnson P.: Am. J. Otolaryng. 2011, 32, Pat. PL (2009). 12. Zg³. pat. pol. P (2011). 13. Iball R. G., Brettle S. D.: Raiography 2011, 17, Raissaki M., Perisnakis K., Damilakis J. i inni.: Peiatr. Raiol. 2010, 40, Rao P., Bekhit E., Ramanauskas F., Kumbla S.: Eur. J. Raiol. 2011, oi: /j.ejra Otrzymano 9 XI 2012 r.