物理书第3章辐射剂量计

1、第三章辐射剂量计J. IZEWSKADivision of Human Health,International Atomic Energy Agency,ViennaG. RAJANMedical Physics and Safety Section,Bhabha Atomic Research Centre,Mumbai, Maharashtra, India翻译 徐庆丰 王石3.1. 介绍辐射剂量计是一种测量装置或者说是一个系统，通过它进行测量，可以直接或间接的得出照射量、比释动能、吸收剂量或当量剂量，或是得到由其衍生出的时间量或相关的电离辐射量。剂量计与其读出器共同组成了剂量测定系统。

2、对某辐射剂量的测量是指通过实验的方法，使用剂量测定系统来测出这个辐射剂量的数值的过程。一个测量结果，即一个辐射剂量的数值，是由数字和适当的单位来表示。辐射剂量计至少具有一个物理特性，而且这个物理特性是所测量的辐射剂量的函数，通过适当的校准后，辐射剂量计便可以用来测量辐射剂量。作为辐射剂量测定使用的辐射剂量计，必须具有一些我们所期望的特性。例如，在放射治疗中准确地知道在水中规定点处的吸收剂量和它的空间分布是非常重要的，因为由此能更准确的导出患者感兴趣器官所吸收的辐射剂量。就此而论，剂量计的特性必然包括了精确度和准确度、线性、剂量和剂量率的依赖性、能量响应、方向依赖性和空间分辨率等。显然，并不是所

3、有的剂量计都能满足以上所有的特性。因此，必须根据实际测量情况的需要选择合适的辐射剂量计与其读出器；例如，在放射治疗中通常推荐使用电离室来校准辐射束（参阅第九章），而有的 剂量计适合作为剂量分布（相对剂量测量）的评估或是剂量验证来使用。3.2. 剂量计的特性3.2.1. 准确度和精确度(accuracy and precision)在放射治疗的剂量测定中，辐射剂量测量的不确定度通常是用准确度和精确度来表示。剂量测定的精确度是指在相同条件下测得的数据的可重复性，并且能够通过重复测量得到的数据估计其大小。测量结果 的标准偏差越小，则测量的精确度越高。剂量测定的准确度是指测量的期望值与其“真实值”的接

4、近程度。 测量结果不可能绝对地准确，某一测量结果的误差由“不确定度”来描述。不确定度是描述测量值的离散度的参数；它是由统计学方法( A类)或其它方法(B类)计算得出， 它没有确定的符号，并且通常假定为对称的。物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是测量误差。 误差是由数字和符号组成的。 测量的误差是不可能精确已知的，因此需要通过某种最可能的方法对其进行评估，并引入适当的修正。 当引入了全部已知的修正后，误差的期望值应该为零，并且测量结果只涉及了唯一的物理量，即不确定度。3.2.1.1. A 类标准不确定度如果对某一辐射剂量 x重复测量N次，则对x的最好评估方式为所

5、有测量剂量Xi的算术平均值X :-1X = Xi(3.1)N 一标准偏差。x表示的是某一测量结果 Xi的平均不确定度，由下式表示：1 ?2二x- n-i：J -x(3.2)测量结果的平均值的标准偏差为：,NN1.1(3.3) A类标准不确定度用UA表示，它定义为测量结果的平均值的标准偏差，即UA=仃x A类标准不确定度是由重复测量结果的统计学分析获得，并且它随测量次数的增加而逐渐减小。3.2.1.2. B 类标准不确定度B类标准不确定度uB不能通过重复测量来评估；而是以非统计学的方法对测量结果不确定度的科学计算。B类标准不确定度包括测量过程的影响，修正因子和来自文献的物理数据的使用所带来的不确

6、定度。通常假设B类标准不确定度具有某种概率分布，例如正态分布（高斯分布）或均匀分布（在给定区间内概率均相等）。接近于标准偏差置信概率的B类标准不确定度可以从误差限计算出，并称这类标准不确定度分量为UB。这类分量可由假定的概率分布确定。3.2.1.3. 合成不确定度和展伸不确定度（combined and expanded uncertainties）确定空间中某一点 P的剂量Q,可以用公式： N QP = M 【Fi（3.4）i 1式中M为剂量计的读数，Fi为修正因子或转换因子。与剂量Q相关的合成标准不确定度 UC等于A类（UA ）与B类（UB）不确定度的平方和的根:Uc+2UB(3.5)9k

7、 (coverage factor),即可得假定合成不确定度是正态分布的，则将合成不确定度乘以包含因子到展伸不确定度U =kuC。剂量Q的测量结果可以表示为 QP ±U 。 CP当包含因子k = 2时，置信水平（confidence level）通常为95%,展伸不确定度 U通常表示为总不确定度，同时它也表示了剂量Q测量的准确度。3.2.2 线性在理想情况下，剂量计的读数M应该与剂量Q成线性关系。但实际上在某剂量范围外，两者之间并不是线性关系。这两者的线性范围依赖于剂量计的类型以及它的物理特性。图3.1.给出了剂量计系统的剂量响应特性的两个典型例子。由曲线A可以看出，随着照射剂量的增

8、加，剂量计读数先是与剂量成线性关系，当达到某一剂量后剂量计读数的增长变快，最后达到饱和状态。而由曲线B可以看出，随着照射剂量的增加，剂量计的读数一直是线性增加，直到逐渐达到饱和。一般来说，在非线性情况下必须对剂量计的读数进行修正。某一剂量计及其读出器可能都不具有线性的剂量响应特性，但它们的组合效果却可能使剂量响应特性在较宽的剂量范围内具有线性关系。1.1.3. 剂量率的依赖性积分系统测量的是剂量测定系统的积分剂量响应。对于这样的测量系统，测量的剂量不依赖于剂量率。G三PEm石法EWO口Dose图3.1.两个剂量测定系统的响应特性在理想情况下，对于两种不同的剂量率（dQ/dt）和（dQ/dt%）

9、,其剂量测定系统的响应m/q应该是相同的。但实际上剂量率可能会影响剂量计的读数，因此必须对其作适当的修正，例如在脉冲式辐射束 的测量中需要对电离室作复合修正。1.1.4. 能量依赖性剂量测定系统的响应 M/QS常是辐射质（能量）的函数。因为剂量测定系统是在某一（或某几个）指定的辐射质条件下进行校准，并在很宽的能量范围内使用的，所以需要对剂量测定系统的响应随电离辐射质的变化（称为能量依赖性）作适当的修正。在理想情况下，能量响应应该是恒定不变的（即在某辐射质范围内，剂量测定系统的校准不应依赖于能量） 。但实际上，在多数的测量情况中，测量结果必须包含能量修正。在放射治疗中，通常感兴趣的是水中（或组织

10、中）的辐射剂量。而对于所有的辐射质，剂量计都不是水或组织等效的，所以能量依赖性是剂量测定系统的一个重要特性。1.1.5. 方向依赖性剂量计的响应随着辐射线入射角的变化而改变，即剂量计具有方向或角度依赖性。由于剂量计的结构、物理尺寸和辐射线能量等原因，使得剂量计通常具有方向依赖性。并且在某些剂量计的应用中，方向依赖性是非常重要的，如体内剂量测量（in vivo dosimetry ）中使用的半导体剂量计。因此在放疗中使用剂量计测量剂量时的几何条件通常与其在校准时的几何条件相同。1.1.6. 空间分辨率和物理尺寸一般来说，辐射剂量描述的是空间中某一点的剂量，因此剂量计测量的剂量应该是空间中某个非常

11、小体积内的剂量（即某一点的剂量必需用“点剂量计”来测量） 。同时剂量测量点的位置（即它的空间位置）应明确的定义在参考坐标系中。热释光剂量计（TLD）的尺寸非常小，可以近似作为点剂量的测量工具。胶片剂量计具有极好的二维空间分辨率，凝胶剂量计也有很好的三维空间分辨率，因此用它们作点剂量测量时，其空间分辨率仅限制于评估系统的分辨率。而电离室由于本身的几何尺寸限制了其灵敏度大小，即使是最新型的尖点微型电离室也不能完全克服这个问题。1.1.7. 数据读出的方便性直读式剂量计（如电离室）的使用通常比被动型剂量计（即剂量计在照射后需经过处理才能读数，如 热释光剂量计和胶片剂量计）更加方便。有些剂量计只能测量

12、累积剂量（如热释光剂量计和凝胶剂量计） 而有些剂量计既能测量累积剂量也能测量剂量率（如电离室）1.1.8. 使用的方便性电离室是可以重复使用的，它的灵敏度在使用期限内几乎没有变化。半导体剂量计也可以重复使用，但在使用期限内它的灵敏度会逐渐下降；然而某些剂量计是不能重复使用的（如胶片，凝胶，丙氨酸）。有些剂量计仅通过单次曝光便可以测量剂量分布（如胶片和凝胶），有些剂量计则很复杂（即处理过程不会影响灵敏度，如电离室），而有些剂量计的灵敏度依赖于处理过程（如热释光剂量计）。3.3. 电离室剂量测定系统3.3.1. 电离室和静电计电离室是用来测量放射治疗中或放射诊断中的辐射剂量。在参考照射条件下的剂量

13、测定称为辐射束校 准（详见第9章）。根据不同的测量需要，电离室可以制成不同的形状和大小，但通常它们都具有以下特性: 电离室的基本结构是由外部导电室壁和中心收集电极组成，室壁内是充满气体的空腔（如图3.2）室壁和收集电极之间由高绝缘材料分隔开，这样可以使电离室在加上极化电压时的漏电流减小。 防护电极能够进一步减小电离室的漏电流。防护电极截断漏电流，并绕开收集电极，将漏电流导向地面。它还能确保电离室灵敏体积内的电场具有良好的均匀性，这样可以准确地收集电离电荷量。 使用自由空气电离室测量剂量时，必须对温度和气压进行修正。这是因为当周围环境的温度和气压发生改变时，电离室气腔内的空气质量也会随之改变。D

14、ural图3.2. Farmer型圆柱形电离室的基本设计静电计是用来测量微电流的装置，测量的电流大约为109 A或者更小。与电离室连接的静电计是具有高增益、负反馈的运算放大器，它通过反馈通路上的标准电阻器或标准电容器测量电离室中的电流或某一固定时间间隔内收集到的电荷量，其原理如图3.3。3.3.2. 圆柱形电离室（指形电离室）目前最普遍使用的圆柱形电离室，是由Farmer设计并由Baldwin最先制造出的灵敏体积为 0.6cm3的电离室，现在许多厂家都能生产这种Farmer型电离室，用于放射治疗剂量测定中的辐射束校准。这种电离室的灵敏体积形状类似套环，因此Farmer型电离室通常也称为指形电离

15、室。Farmer型指形电离室的设计原理见图3.2;电离室剂量测定系统将在第九章第二节中讨论。不同生产厂商制造的圆柱形电离室，其灵敏体积通常在0.1到1cn3之间。一般来说，电离室内气腔的长度不超过25mm气腔的内直径不超过7mm用作室壁的材料一般是低原子序数 Z （即组织或空气等效）材 料，室壁的厚度低于0.1g/ cm 2。在空气中用Co-60 ¥射线来校准电离室时通常需要加上平衡帽，其厚度大约为 0.5 g/ cm 2。电离室的构成应尽可能是均质的，直径约为1mm中心电极通常由铝材料构成，以确保电离室具有某9章中讨论。一固定的能量依赖性。IAEA第277号报告和398号报告中较详

16、细地介绍了商业上使用的各种圆柱形电离室的 构造。圆柱形电离室在光子和电子线剂量测定中的使用将在第3=fxd back capacitor I'/arlabte io varv sensitivity)图3.3.具有反馈运算模式的静电计3.3.3. 平行板电离室平行板电离室由两个平板室壁组成，其中一个作为入射窗，形成极化电极，另一个作为后壁，形成电荷信号的收集电极，同时它也作为防护环系统。后壁通常是一块导电塑料，或者是带有一个薄石墨导电层的不导电材料(通常是有机玻璃或聚苯乙烯)，形成收集电极和保护环。平行板电离室的原理图见图3.4 o平行板电离室被推荐用来测量能量低于10MeVt子束的辐

17、射剂量。同时它也用来测量兆伏级光子束在建成区的表面剂量和深度剂量。光子束在建成区的剂量测量将在第 6章第13节中讨论。IAEA第381号和第398号技术报告中详细阐明了商业上使用的平行板电离室的特性和这些电离室在电子束剂量学测定中的使用。有些电离室需要作注量扰动修正，因为它们不能提供足够的保护宽度。图3.4.平行板电离室。1:极化电极。2:测量电极。3:保护环。a：气腔的高度。d:极化电极的直径。mi 收集电极的直径。g:保护环的宽度3.3.4. 近距离放射治疗电离室 (brachytherapy chambers)用于近距离放射治疗的放射源，其空气比释动能强度（或参考空气比释动能率）较低，需

18、要较大灵敏 体积（大约为250 cm3或者更大）的电离室来进行测量，以提供足够的灵敏度。在近距离放射治疗中，通常使用井型电离室或凹型电离室（re-entrantchambers）来校准和标定放射源。井型电离室的原理图见图3.5井型电离室必须按照典型尺寸的放射源的要求来进行设计，以符合近距离放射治疗中的临床使用和参考空气比释动能率的校准。3.3.5. 外推电离室外推电离室是灵敏体积可变的平行板电离室。它是用来测量中压X射线和兆伏级XM线束的表面剂量,以及测量P射线和低能X射线的辐射剂量。另外，它也能够直接嵌入组织等效模体中，测量辐射线的绝对 剂量。空腔对电子的扰动可以通过测量空腔厚度函数并外推到

19、零厚度进行消除。使用这种有限厚度的平行 板电离室时，可以估计其空腔扰动的影响。3.4. 胶片剂量计3.4.1. 放射照相用胶片X射线照相用胶片在放射诊断、放射治疗和辐射防护中起着若干重要作用。它可以用作辐射探测器、相对剂量计、显示设备和归档文件。片基单面或双面均匀地覆盖了一层辐射感光未曝光的X射线照相用胶片是由一片薄的塑料片基构成, 乳剂（乳剂里悬浮着漠化银颗粒）。辐射作用使漠化银颗粒电离，在胶片上形成潜影。潜影只能向可见方向（胶片致黑）转变，并且在 接下来的处理中一直保持。透明度是胶片黑度的函数。如果用光学密度OD表示的话，它可以使用光密度计来测量。 OD定义为OD = log 10 （I0

20、/I）,它是剂量的函数。I0是光线入射强度，I是光线透过强度。胶片的二维空间分辨率极好的。它可以提供在一次照射中我们感兴趣区域的辐射空间分布信息或由 于插入介质使辐射减弱的信息。胶片的有效剂量范围是有限的。对于低能的光子线，胶片响应对能量依赖明显。胶片响应依赖于几 个难控制的参数。就这一点而言，胶片的一致处理是一个特殊的挑战。胶片常用于定性的剂量测量。但如果我们适当修正，认真使用和分析，胶片也可以用于剂量估算。不同类型的胶片都可用于放射治疗工作（例如：用于验证射野大小的直接曝光的无增感屏胶片，用 于模拟机的荧光屏胶片和用于射野影像系统的金属屏胶片）。未曝光的胶片有本底光学密度，称为光学密度灰雾

21、（ OD。由辐射引起的光学密度叫净光学密度, 它可以用测量密度减去灰雾值得到。光学密度读数器包括胶片显像密度计，激光显像密度计和自动胶片扫描仪。简单的胶片显像密度计 的工作原理如图3.6。Log ratio amplifier理想情况下，剂量与光学密度的关系是线性的，但也有例外。一些感光剂的剂量-OD关系是线性的;另一些感光剂的剂量-OD关系在限定的剂量范围内是线性的，在该范围外则是非线性的。因此，每一张胶片在用于剂量测量之前，必须先建立剂量-OD曲线。剂量-OD曲线称为灵敏度曲线（也称为特征曲线或H&D曲线，这是纪念最先研究该关系的Hurter和Driffield ）。典型的放射照相

22、用胶片 H&D曲线如图3.7。它有四个区域：（1）灰雾区，即在低或未曝光时的区域；（2）趾区；（3）在曝光过程中的直线区域；（4）过度曝光时的肩部饱和区域。直线区域是测量条件最佳时，趾区曝光不足，肩部曝光过度。胶片对辐射响应的重要参数有gamma值、宽容度和感光度： H&D曲线的直线部分的斜率叫做胶片的gamma值。应该选择合适的曝光量来使放射照相用胶片的所有部分都在H&D曲线的直线区域内，并保证对所有光学密度，对比度都是相同。 胶片的宽容度定义为曝光量的范围，该范围内光学密度OD要在直线区域内。 胶片的感光度由给定的曝光量决定，要求该曝光量引起的光学密度OD比光学密度

23、灰雾值大1.0。放射照相用胶片在放射治疗中的典型应用是定性测量和定量测量，包括了电子射野的剂量测量，放射治疗机器的质量控制（例如：灯光野与射野的一致性和准直器中心轴位置的确定，即所谓的星点检测），在不同模体和射野影像系统中治疗技术的验证。3.4.2. 辐射显色胶片辐射显色胶片是用于放射治疗剂量测量的一种新型胶片。最常用的是GafChromic 胶片。 它是无色的，覆盖着一层接近等效组织的成分（9%的氢，60.6%的碳，11.2%的氮和19.2%的氧）。当受到辐射照射时，它显影呈蓝色。辐射显色胶片包含一种特殊染料。当辐射照射时，染料被聚合。聚合物吸收光，胶片的透明度可以用合适的剂量计来测量。辐射

24、显色剂量胶片是自显影，既不需要显影剂也不需要定影剂。由于辐射显色胶片无颗粒，所以它精度高，可以用于测量剂量梯度大的区域（例如：测量在立体定向射野中和近距治疗放射源附近的剂量分布）。剂量测量中使用辐射显色胶片比起放射照相用胶片来有很多优点，例如： 容易使用；取消对暗室设备、片盒和胶片处理的需求；不依赖剂量率；有更好的能量特性（特别是对 25 kV或更低的低能X射线）；不受周围环境的影响（当然过度潮湿应该避免）。通常辐射显色胶片比放射照相用胶片灵敏性低，它多用在较高剂量的测量，尽管其剂量响应是非线性的，但在较高剂量区域应予修正。辐射显色胶片是相对剂量计。如果适当考虑修正和环境条件，其精确度可以超过

25、97%。辐射显色胶片的各种参数数据（例如：灵敏度、线性、均匀性、重复性和辐射照射后的稳定性）可以在文献说明中查到。3.5 发光剂量计某些物质，一旦吸收辐射，保留部分能量，处在亚稳定的状态。之后，该能量以紫外线、可见光或红外线被释放，这种现象称为发光现象。众所周知，它有两种类型：荧光和磷光，区别在于光被激发与释放之间的延迟时间。延迟时间在10-10到 10-8秒之间时，荧光产生。延迟时间超过10-8 秒时，磷光产生。磷光可以通过热或光适当地刺激来加速产生。TLD （当用于剂量测量时）(OSL)正如1.4节讨论的，高能二级带电粒子对物质吸收光子能量起主要作用。它们通常是光子与物质初始相互作用时产生

26、的电子。在晶体固体中，这些二级带电粒子通过电离原子和离子，释放出大量低能自由电子和空穴。这些自由电子和空穴将来不是重新复合，就是在晶体的某处分别被电子或空穴陷阱捕获。陷阱可以是固有的，也可以是在晶体中加入空隙或杂质造成晶格缺陷而引入的。通常有两种陷阱：储存陷阱和复合中心。1.1.1 仅仅是捕获自由带电粒子。之后（a）加热时释放它们，产生热释光过程；或者（b）通过光辐射释放它们，产生OSL 过程。从储存陷阱中释放出来的带电粒子可以与复合中心（发光中心）里的被捕获的带相反电荷的带电粒子复合。复合能量至少有一部分以紫外线、可见光或红外线辐射释放出来。这部分能量可以用光敏二极管或光电倍增管（PMTs）

27、来测量。1.1.2 热释光热释光是热刺激的磷光现象。它是最引人注目和广为知晓的由大量各种电离辐射引起的热刺激现象。它的实际应用范围从考古探测陶器年代测量到辐射剂量测量。1968年，Cameron, Suntharalingam 和 Kenney出版了一本关于热释光处理的书，至今它仍被认为是关于热释光现象实践方面的经典论著。热释光剂量计的工作原理是由固体能带模型提供的。储存陷阱和复合中心处在价带与导带之间的能量间隙中，每一类型都有特定的由结晶固体和陷阱的本性决定的激发能（陷阱深度）。刚好低于导带的状态表现为电子陷阱。刚好高于价带的状态表现为空穴陷阱。辐射照射之前的捕获水平是空的。（即空穴陷阱包含

28、电子，而电子陷阱则为空）。辐射时，二级带电粒子将电子从价带（离开价带中的一个自由空穴）或一个空的空穴陷阱（填充空穴陷阱）中推入导带。系统可以通过几种方法达到热平衡：自由带电粒子复合，复合能转化为热能。自由带电粒子与在发光中心被捕获的带相反电荷的带电粒子复合， 复合能以可见荧光的形式释放出来。自由带电粒子在储存陷阱处被捕获，导致磷光或热释光现象以及OSL过程。1.1.3 热释光剂量系统医学方面最常用的TLD材料有LiF:Mg , Ti, LiF:Mg , Cu, P和Li? B4 O7 ：Mn ,这是由于它们的组织等 效性。其它的TL附料：CaSO4 :Dy, Al 2O 3：C和CaF2 :M

29、n ,由于它们具有高灵敏性而被采用。 TLD可以有不同形式（例如：粉末状，片状，杆状和带状） 。在使用之前，TLD需要退火来去掉残存的信号。应使用成熟和可重复的退火周期，包括加热速度 和冷却速度。基本的TLD读数系统由用于放置和加热 TLD的金属板，探测热释光散发和将它转化成电信号（与探测到的光子量成线性比例）的光电倍增管PMT,和用于将PMT信号记录为电荷或电流的静电计组成。TLD读图3.8 TLD读数器数器的基本原理图见图3.8所示。热释光散发强度是 TLD的温度T的函数。如果保持恒定的加热速度使温度 T正比于时间t,并可以用 TLD测量系统测得输出读数，那么热释光强度就可以画成t的函数图

30、。该曲线称为TLD加热发光曲线。通常, 如果散发的光被画成对应晶体温度的图，就得到热释光温谱图（图3.9）。0 8 6 4 2* + M& 1 o o o O 一 £6 诟 80 UW3S EnoEwLll PQNHEE口 N0.0050100150200250300350400Temperafture fC)图3.9 TLD读数器测量的低加热率下 LiF:Mg,Ti的典型温谱图（加热发光曲线）加热发光曲线中的峰值可能与导致热释光散发的陷阱深度有关。 LiF:Mg,Ti加热发光曲线中，用于剂量测量的主要是在180。与260。之间的峰值。由于峰值温度高于室温很多，因此它不会受到

31、室温的影响；而且它又低于加热板释放出的黑体温度很多，所以也不会受到黑体 的干扰。 通过适当的修正，散发出的总热释光信号（例如：加热发光曲线适当部分下面的区域）可以与剂量相关联。 读数过程中热循环的良好重复性对剂量测量的精确度十分重要。 由于光在常温时的自发发射，热释光信号在辐射后立即减少。这一过程称为衰退。LiF:Mg,Ti例外,它在辐射后几个月内，剂量测量峰值的衰退不会超过百分之几。 热释光剂量响应在放射治疗中使用的剂量范围内都是呈线性的。虽然在较高剂量区域它会增加，但 在更高剂量饱和前它仍表现为超线性。 TLD在使用前需要修正（因此用做相对剂量计）。为了从热释光读数中推导出吸收剂量，必须使

32、用一些修正因子，例如关于能量、衰退和剂量响应非线性的因子。在放射治疗中，典型的 TL的用是：病人体内剂量测量（常规的质量保证程序或特殊情况时的剂量监测。例如：复杂的几何体，危险器官的剂量，全身照射（TBI）,近距离治疗）；在各种模体里的治疗技术验证（如：仿真人体体模）,剂量计核查（如：the IAEA World Health Organi-zation （WHO） 制订的TLD剂量计的 剂量核查规程）；和各医院间的比较。3.5.3 光致荧光剂量测量系统OSL剂量计是基于类似热释光剂量计的原理。不是用热，而是用光（来自激光） ，并以发光的形式来释放被捕获的能量。OSL剂量计是一种奇特的方法，它

33、为放射治疗的体内剂量测量提供了潜能。在辐射期 间内测得的总剂量可以在辐射之后直接用OSL评估。光缆光致荧光剂量计由一个涂了铝氧化物（ Al 2 O 3 :C） 的小碳片（约1mm3, 小碳片上加有一根长的光缆），一个激光，一个射束分裂器，一个准直器，一个 PMT,电子技术和软件组成。OSL剂量计工作的过程是：激光通过光缆刺激小碳片，产生的光（蓝色的光）再由同一根光缆传回，经射束分裂器转90°反射后在PMT里测量。光缆剂量计的高灵敏性覆盖了放射治疗中所用的剂量率和剂量的所有范围。通常OSL响应是线性的，它独立于能量和剂量率，虽然角度响应需要修正。存在各种实验结构，例如： 脉冲调制的OS

34、L 或用在与辐射发光相关的OSL。 在剂量计受到辐射的时候，辐射发光迅速地被散发，并提供*M射时的剂量率信息，接着 OSL提供总剂量。尽管这种技术还没有用于常 规放射治疗，但也可以证明它将来会是用于体内剂量测量的颇有价值的工具。3.6 半导体剂量计3.6.1 硅半导体剂量测量系统硅半导体剂量计是P-N 结型二极管。它是通过在N 型硅或 P 型硅表面掺入相反类型物质的杂质而生成。按照基本物质称为N 型硅或 P 型硅剂量计。两类二极管都可用于商业上，但只有P 型硅适合于辐射剂量测量，因为它受辐射损伤影响较小，而且暗电流很小。辐射使剂量计（包括耗尽层）里产生电子-空穴（e-h）对。剂量计里产生的电荷

35、（少数电荷载体或载荷子）在扩散长度范围内扩散进耗尽层。在内部电位导致的电场作用下，它们穿过耗尽层，这样在二极管里产生了相反方向的电流。二极管剂量计用于短路模式，这是因为该种模式的被测电荷与剂量之间是线性关系。它们经常用在无外电压时，可以减少漏电流。二极管剂量计比标准电理室更灵敏，体积更小。它是相对剂量计。由于重复使用，辐射损伤导致灵敏性变化，所以它不能用于射野校准。例如： 用在立体放射外科中的小野或高剂量梯度的区域（例如：半影区） ，也经常用于测量电子线射野的深度剂量。为了在水模体里使用电子束扫描仪，它们被包在防水的密封壳里。当用于测量电子束的深度剂量时，二极管剂量计直接测量剂量分布（这与电离

36、室测量电离是相对的） 。二极管剂量计广泛用在常规的病人体内或膀胱、直肠的剂量测量。测量体内剂量的二极管剂量计配有建成帽，因此必须根据临床射野的类型和品质来适当选择二极管。建成帽也保护易脆的二极管避免物理损伤。二极管剂量计用在体内剂量测量时需要校准。剂量计算时必须使用几个校准因子。二极管的灵敏性依赖于它的辐射历史，因此需要对它定期重复校准。二极管剂量计的剂量响应随温度改变会发生变化（这对长时间放射治疗十分重要） 。它还依赖于剂量率（应该考虑源到皮肤距离的不同）、角度（方向）和能量，甚至对放射野的光谱组成的微小变化（这对测量入射和出射剂量很重要）也有依赖。3.6.1 MOSFET 剂量测量系统金属

37、氧化物半导体场效应晶体管（ MOSFET）是一个微型的硅晶体管。它有极好的空间分辨率。由于体积小，它的射野衰减很小，特别适用于体内的剂量测量。MOSFET 剂量计是基于测量阈值电压的，阈值电压是吸收剂量的一个线性函数。致电离辐射敏感的氧化物产生可以永久捕获的电荷，这样形成阈值电压的变化。在辐射时或辐射后可以测量总剂量。MOSFET剂量计在辐射时需要连接一个偏转电压。MOSFET有一定的使用期限。 一个单独的MOSFET剂量计可以用于整个光子和电子的能量范围。但由于它会随辐射品质变化而变化，所以应该检查它的能量响应。然而，对兆伏级射野，MOSFET剂量计不需要能量修正，只需用一个校准因子。 MO

38、SFET剂量计存在微弱的轴方向性（对于 360。有± 2%的差别），不需要剂量率的修正。与二极管相似，MOSFET剂量计依赖温度，但这个影响已经被专门设计的双探测MOSFET系统克服。通常，它与总的吸收剂量呈非线性响应。然而，在规定的使用期限内，MOSFET剂量计能够保持足够的线性。在辐射照射（必须稳定）时，MOSFET剂量计也对偏转电压的变化敏感。在辐射后反应有少许漂移（读数必须在照射后规定时间内采集）。 MOSFET剂量计在过去几年里已用于各种放射治疗中的体内和模体剂量测量，包括常规病人剂量验证，近距离治疗，TBI ，调强治疗（IMRT ） ，术中放疗和放射外科。根据应用，它可以

39、使用或不使用额外的建成。3.7. 其它剂量测量系统3.7.1 丙胺酸 / 电子顺磁共振剂量测量系统丙胺酸是氨基酸的一种。它被惰性粘合物挤压成棒状或小球状，常用于高剂量的测量。这种剂量计可用于 10 Gy 或更高辐射剂量的测量，有足够的精确度。辐射作用导致丙胺酸基形成，其浓度可以用电子顺磁共振（也叫电子自旋共振）分光计来测量。强度被测量为峰高到光谱中心线峰高的差。读出数据具有非破坏性。丙胺酸剂量计是组织等效物质。它在典型的治疗射野品质范围内不需要能量修正。它经过辐射后几个月的衰退都很微小。它的响应依赖于环境条件（辐射时依赖于温度；储存时依赖于湿度）。目前，丙胺酸剂量计在放射治疗中的潜在应用是各医

40、院的剂量测量对比。3.7.2 塑料闪烁体剂量测量系统塑料闪烁体剂量计是放射治疗剂量测量计中较新的发展。当辐射时，闪烁体剂量计里产生的光通过一根光缆传导到放在辐照室外的光电倍增管（PMT） 。典型的结构需要两组光缆，它们连接两个不同的PMT，这样就允许从测量信号中减去本底Cerenkov辐射。闪烁体剂量计在治疗感兴趣的剂量范围内的响应是线性的。塑料闪烁体剂量计在电子密度和原子组成方面与水几乎等效。特别地，在临床使用的射束能量范围内（包括千伏级电压范围），它们与水相比，其质量阻止本领和质能吸收系数的差别都在± 2%以内。塑料闪烁体剂量计几乎独立于能量，因此可以直接用于相对剂量的测量。塑料

41、闪烁体剂量计体积可以做得很小（大约 1 mm3 或更小） ，并可以为临床剂量测量提供足够的灵敏度。因此它们可以用在需要高空间分辨率的情况下（例如：高剂量梯度区域、建成区、交界面区、小野和非常接近近距离治疗源的剂量测量）。 由于平坦的能量依赖和小体积，塑料闪烁体剂量计是用于近距离治疗中的理想剂量计。塑料闪烁体剂量计的特点是有良好的重复性和长时间的稳定性。它没有明显的辐射损伤（最高可到约 10 kGy） 。即使这样，当临床使用时，射线的输出也应该受到监控。塑料闪烁剂量计独立于剂量率。它可以用于剂量率为10 Ry/min （眼部的剂量测量）到约10 Gy/min（外照射野的剂量测量）的范围。它无明显

42、的方向依赖，不需要周围温度和压力的修正。3.7.3 金刚石剂量计金刚石的电阻随着辐射照射而变化。当给定一个偏压时，产生的电流与辐射的剂量率成比例。商业上可以使用的金刚石剂量计是设计用来测量高能光子和电子野的相对剂量分布。金刚石剂量计基于一个天然的金刚石晶体。该晶体密封在聚苯乙烯壳里，通过薄的金接触点提供偏压。金刚石剂量计对剂量敏感的体积很小，只有几个立方毫米，因此可以测量空间分辨率非常好的剂量分布。金刚石剂量计是组织等效物，几乎不需要能量修正。由于平坦的能量响应曲线，小体积和可以忽略的方向依赖，它非常适用于高剂量梯度区域的剂量测量，例如：立体定向放射外科。为了稳定剂量响应，金刚石剂量计在每次使

43、用前需要辐照来减少极化效应。金刚石剂量计依赖于剂量率。当测量一个给定的物理量（例如：深度剂量）时，剂量率必须修正。金刚石剂量计对温度的依赖可以忽略，只有0.1% °C或更小。高灵敏度和抗辐射损坏是金刚石剂量计的其他重要特性。它们是防水的，可以用于水模体中的剂量 测量。3.7.4 凝胶剂量测量系统凝胶剂量测量系统是唯一真正的三维剂量计，适合于相对剂量测量。剂量计同时也是一个模体，可以测量整个三维几何体中的吸收剂量分布。凝胶接近组织等效物质，可以被塑成任何想要的外形和结构。凝胶剂量计分成两类：基于成熟的 Frick 剂量计的Frick 凝胶剂量计；聚合体凝胶剂量计。在Frick凝胶剂量计

44、中，含铁的硫酸盐中的Fe2+离子溶于凝胶、琼脂糖或聚乙烯醇基质中。辐射引起的变化不是由于直接的辐射吸收，就是由于通过介质水中的自由基的辐射吸收产生的。当辐射照射时，亚铁离子Fe2+转变为三价铁的Fe3璃子，同时相应的顺磁性特性也发生变化，该变化可以用核磁共振弛豫速率或光学方法来测量。一个三维剂量分布图就产生出了。Frick 凝胶系统的一个主要限制是辐射后离子的持续扩散，导致了剂量分布模糊。在聚合物凝胶剂量计中，单体（如丙烯酰胺）溶于凝胶或琼脂糖基质中。当辐射照射时，单体进行聚合反应，形成三维聚合物凝胶基质。它是吸收剂量的一个函数，可以用核磁共振，X射线计算机断层扫描（ CT） ， 光学断层扫描

45、，振动光谱或超声来估算。有许多聚合物凝胶配方。包括聚丙烯酰胺凝胶，一般是指 PAG 凝胶 （例如： BANG 凝胶）和新型的常氧凝胶（例如：MAGIC 凝胶） 。后者在有大气常氧时不敏感。核磁共振弛豫速率与凝胶剂量计中一点的吸收剂量是呈半线性相关的。因此，用核磁共振扫描仪画弛豫速率图，经过计算和适当的修正可以得到剂量图。由于水占很大的比例，聚合物凝胶接近与水等效，对于放射治疗中所用的光子和电子野不需要能量修正。对聚合物凝胶剂量计，尽管剂量响应依赖于剂量计估算时的温度，但使用核磁共振估算时并没有发现有明显的剂量率影响。估算时磁场强度也可能影响剂量响应。辐射后的影响应该考虑，如持续的聚合、冻结和凝

46、胶基质的固化，它们可能导致图象失真。凝胶剂量计是一种非常有前途的相对剂量测量技术。可以证明它对于复杂的临床情况的剂量验证（例如：IMRT）和估算近距离治疗中的剂量（包括心脏血管的近距离治疗）都有显著作用。3.8. 基准标准基准标准是允许根据一个量的定义，确定其单位的最高计量品质的正式文件，该标准的准确性已经通过和其他同等级机构的标准相比较而得到了验证。基本标准是由全世界20个国家的一级标准剂量实验室（PSDL9共同制定的。各国的一级标准剂量实验室之间经常对基本标准进行比较，并且也同国家计量局（BIPM）进行比较，这样可以在国际上规范和统一剂量测定标准。对于在医院内作为放射治疗中辐射束校准来使用

47、的电离室，必须根据基本标准（直接或间接的）进行标定。基本标准并不是用来作为常规校准的，因为它始终代表该物理量的单位。一级标准剂量实验室为次级标准剂量实验室（ SSDLs） 校准二级标准剂量计，而次级标准剂量实验室则为剂量计使用单位校准参考剂量计，如医院中使用的治疗级电离室。3.8.1 空气中空气比释动能的基本标准自由空气电离室是测量空气中浅层X1寸线和中压X1寸线（大于300kV）的空气比释动能的基本标准。但是它不能作为60Co 7射线的基本标准，这是因为为了在空气中建立电子平衡条件，电离室的灵敏体积周围的空气柱将变得很长。这将导致电离室体积较大，并且产生多种修正问题以及随之带来的误差。对于6

48、0Co ¥射线，可以使用石墨空腔电离室作为基本标准，同时必须精确知道电离室的体积。石墨空腔电离室的应用是基于Bragg-Gray 空腔理论。3.8.2 水吸收剂量的基准标准通过水吸收剂量的基本标准，使得治疗级电离室可以直接用来校准水中的吸收剂量，而取代空气中的空气比释动能。与空气比释动能方法相比较，这种简单化的剂量测定程序可以使医院级单位的测量结果更加精确。现在已经有许多国家的一级标准剂量实验室也采用这种水吸收剂量校准的标准来测量Co-60?射线，并且有些一级标准剂量实验室已经将这种标准用在加速器产生的高能XM线和电子线的剂量测量上。理想情况下，水吸收剂量的基本标准应该用水量热计来测

49、量，这个水量热计应包括整个水模体，并且应是在参考条件下进行剂量测量的。但是这种基本标准的建立比较困难，导致了现今已经发展出许多种不 同的吸收剂量测量的基本标准。目前已有三种基本方法用来作为测量水吸收剂量的基本标准：（1）离子浓度测量法；（2）基于化学剂量测定的全吸收方法；（3）量热法。这三种方法将在第九章详细讨论。3.8.3 水吸收剂量的离子浓度测量标准将石墨空腔电离室置于水模体中参考深度处，电离室的结构是根据Bragg-Gray空腔理论进行设计的，同时精确地知道电离室的灵敏体积。根据空腔理论，水中参考点处的吸收剂量通过空腔内空气的平均输入 比能（单位体积能量）和室壁材料对空腔气体的限制阻止本

50、领比得出。国家计量局给出了水吸收剂量的离 子浓度测量标准。3.8.4 水吸收剂量的化学剂量测定标准化学剂量测定系统是通过使用适当的测量系统来测量介质（剂量计的灵敏体积）中的化学变化，以达 到剂量测量的目的。通常使用 Fricke 剂量计作为化学剂量测定标准。 Fricke溶液含有以下成分：1mM FeS减Fe(NH) 2+ 空气饱和的0.8N H2SO+1mM NaCl。 硫酸亚铁水溶液经过电离辐射照射，溶液中的二价铁离子Fe2+会被氧化成三价铁离子Fe3+;三价铁离子Fe3+会在波长为304nnfe产生很强的吸收峰，而二价铁离子Fe2+不会在这个波长产生任何吸收。由电离辐射照射产生的三价铁离

51、子浓度，可以用分光光度计，通过测量溶液的吸光度(单位为OD)来进行测定。 Fricke剂量计的剂量响应由它的灵敏度，即辐射化学产额( radiation chemical yield ) 或表示。G定义为吸收1J辐射能量，FeSO水溶液所产生的三价铁离子Fe3+的摩尔量。化学剂量测定标准是由全吸收实验中传递剂量计的校准以及随后在参考条件下水模体中传递剂量计的应用来实现的。首先用电子束的全吸收来测定 Fricke 剂量计的剂量响应。同时必须精确测定传递装置的能量响应(即，已知电子线的能量、束流强度和吸收质质量，吸收的全部能量可以通过测定Fricke 溶液的吸光度的变化来确定)。然后，将Frick

52、e 剂量计作为传递剂量计使用，来测量水模体中参考点的吸收剂量。3.8.5 水吸收剂量的量热法标准量热计是测量吸收剂量的基本标准中最基础的方法，因为当介质受到电离辐射照射后，介质所吸收的辐射能量，将会直接导致该介质温度升高。通常石墨是作为量热计的理想材料，因为它是低原子序数Z材料， 并且它所吸收的全部能量均以热能的形式释放出来，而不会转化为其他形式造成热损失(如热盈亏)。有些一级标准剂量实验室将石墨量热计放入石墨模体中测定石墨的吸收剂量。由光子通量比例定理(thephoton fluence scaling theorem) 或空腔电离理论，将石墨的吸收剂量转换为水模体中参考点处的吸收剂石墨量热计是通过已知的电子能量沉积到核中来进行电子学校准。 水量热计能直接测定水模体中参考点处的吸收剂量。通过测量水中某一点处所升高的温度，并知 道了水的比热，就可以得到水吸收剂量。在用石墨量热计进行剂量测定时，无需进行标定；但为了 补偿由于水的辐解和热传递导致的热盈亏，需要引入相关修正。水量热计的校准方法是根据绝对温度来校准它的热敏电阻，这与石墨量热计根据能量沉积的方式不同3.9. 常用剂量测定系统的总结辐射剂量计和剂量测定系统有多种形状和形式，它们对