放射治疗电离辐射剂量计

放射治疗电离辐射剂■计王坤;杨小元;张辉;杨元第【摘要】介绍了放疗剂量学中电离室、胶片、热释光、半导体、闪烁体、宝石和凝胶剂量计等剂量测量系统，比较了其准确度和精度、线性、剂量率响应、能量响应、方向性响应和空间分辨率等性能和参数，电离室剂量计用于射线束校准和检定，胶片剂量计单次照射可实现二维测量，热释光剂量计可进行点测量并基本组织等效，半导体剂量计响应灵敏度高，闪烁体、宝石剂量计空间分辨率高，凝胶剂量计可直接实现三维剂量测量。【期刊名称】《计量学报》【年(卷)，期】2011(032)B12【总页数】4页(P22-25)【关键词】计量学;电离辐射;剂量计;线性;能量响应;空间分辨率【作者】王坤;杨小元涨辉;杨元第【作者单位】中国计量科学研究院，北京100013【正文语种】中文【中图分类】TB981引言辐射剂量计是用于测量电离辐射照射量、比释动能、吸收剂量或剂量当量的装置或设备。一个剂量学量的测量是使用剂量计在实验中确定量值的过程，测量结果表示为一个数值和一个单位的乘积。作为基本的物理属性，剂量计必然是某个量值的函数，并用于辐射剂量学的校准和检定。同时剂量计必须拥有一些可取的特点。例如，在放射治疗领域，确切地知道特定点的水吸收剂量及其空间分布，以及可能传递到患者器官的剂量都同样重要。在这种情况下，理想的剂量计性能特点可由准确度和精度、线性、剂量或剂量率的响应、能量响应、方向性响应和空间分辨率等特征表示［1］。显然，某一种剂量计不能具备这些特征的所有优点，这就需要考虑实际测量情况，选择适当的辐射剂量计。2剂量计特性2.1准确度和精度放疗剂量学中测量不确定度经常以准确度和精度的形式表示。精度描述的是同条件测量的重复性，高精度意味着测量结果的标准偏差小。准确度描述的是测量结果接近真值的情况。在测量结果中，以A类和B类不确定度的合成表征测量结果的总不确定度。2.2线性理想的情况下，剂量计读数M应与剂量学量Q成线性关系，但是，超过一定剂量范围会有非线性存在。线性范围和非线性行为取决于剂量计类型和物理特性。剂量测定系统的响应特性的两个典型情况为，一种是响应首先与剂量表现为线性关系，然后表现为超线性关系，最终饱和。另一种是响应首先表现为线性而后在高剂量区饱和。在一般情况下，非线形行为应予以纠正。一个剂量计的探测部分和读数部分可能都表现出非线性特性，但他们的结合效果可能会产生更广泛范围的线性关系。2.3剂量率响应累积剂量的测量应与剂量率无关，剂量测定系统M/Q，在2个不同剂量率情况下，应保持为一常数。实际中，剂量率可能影响剂量计读数，适当的修正是必要的，例如电离室在脉冲束中的复合修正。2.4能量响应剂量测定系统M/Q通常是辐射质（能量）的函数，剂量计在特定辐射质下校准但用于较宽的能量范围，其响应随辐射质的变化需要修正，称之为能量响应修正。理想情况下，能量响应尽可能的平坦，即在一定的辐射质范围内剂量计的校准因子不依赖于能量。现实中，在决定剂量学量Q的过程中需考虑能响修正。在放疗剂量学中，溯源的量是水吸收剂量，剂量计很难在全辐射质能量范围实现水等效，所以能响是一个重要的需要考虑的量。2.5方向响应剂量计随射线入射角度的响应变化称为方向响应或角响应。由于探测器具体的物理结构、几何尺寸和入射辐射质能量的不同，剂量计会有方向响应。通常放疗剂量计临床使用和校准会在同样几何条件下使用。2.6空间分辨和物理尺寸由于需要测量的是一个点的量值，所以剂量计应尽可能地实现一个小体积的测量，同时在参考坐标系中精确地定义测量点的位置也同等重要。除上述特性，能否直接读数或实时给出测量结果，能否重复使用测量，能否单次照射给出面或体剂量的分布等，都是选用剂量计需要考虑的特性。3剂量计3.1电离室剂量计电离室剂量计主要用于放射治疗和诊断的剂量测定，参考辐射条件下的剂量测量也被称为束线校准。根据需要，电离室有不同的形状和尺寸，但其基本特征主要有以下几个方面。电离室的基本构成是导电的外壁包围着一定体积的充气的空腔，并有一个中心收集电极。电离室壁和收集电极之间会有极化电压，并由高绝缘材料分开以减少漏电。通常会有保护级以进一步减少漏电，保护级截取漏电流并直接导入大地。同时保护级可以使灵敏体积区域的电场更均匀，有利于电荷准确收集。由于测量体积中空气质量随环境条件变化，与大气相通的电离室在测量时需要温度和气压的修正。图1圆柱farmer型电离室基本结构图静电计是测量小电流的装置，特征电流在纳安量级或更小。与电离室连接的静电计通常是高增益、负反馈的放大器，在标准电阻或标准电容上测量电离电流。最通用的圆柱形电离室是体积为0.6cm3由Farmer设计的电离室，如图1，用于放疗剂量的束线校准［2］。现在，很多制造商都生产圆柱形电离室，灵敏体积由0.1cm3至1cm3。电离室空腔的长度一般不超过25mm，直径不超过7mm。为了组织等效或空气等效，壁材料选用低原子序数材料，厚度小于0.1g/cm2。在60Co辐射场的自由空气中进行校准时，电离室需要配备一个厚度约0.5g/cm2的平衡帽。尽管为了确保平坦的能响，中心电极为直径1mm的铝，但电离室的构造应尽可能的均质。不同商用圆柱形电离室的详细结构可见国际原子能机构技术报告TRS277［3］和TRS398［4］。平行板电离室由两个平面壁组成，一个作为入射窗和极化电极，另一个作为后壁和收集电极，后壁通常是一块导电塑料或带有石墨导电层的不导电材料。平行板电离室被推荐用于电子束能量低于10MeV时的测量，也用于光子束的表面剂量和建成区深度剂量分布测量。商用平行板电离室的特性及其在电子束下的使用可参见TRS381［5］和TRS398报告。测量近距治疗源低空气比释动能率时需要电离室有充足的体积（250cm3或更多）和足够的灵敏度。井型电离室适用于近距治疗源的校准，根据临床典型源的形状和尺寸设计制造的井型电离室通常以参考空气比释动能率进行量值传递。夕卜推电离室是灵敏体积可变的平行板电离室，用于P射线和低能X射线剂量测量以及兆伏X射线束的表面剂量等。将其置于组织等效模体中时也可用于测量绝对剂量值。通过测量空腔厚度变化函数可外推至零厚度，从而修正电子空腔扰动，可用于评估有限厚度的平行板电离室空腔扰动。3.2胶片剂量计胶片剂量计在放射诊断、放射治疗和辐射防护领域都起着重要的作用，通常由薄的塑料基底和均匀覆盖一面或两面的辐射敏感涂层(AgBr)构成。辐射相互作用致使AgBr电离，在胶片上形成潜影。显影、定影后图像可见并可持久保存，胶片的不透明性由密度计测量的光密度值表示。胶片有着很好的二维空间分辨能力，单次辐照后，可以给出照射的空间分布信息。胶片的有效剂量范围有一定的限制，低能光子区能响明显，胶片响应的参数控制较难，使得其定量测量难度相对较大。免冲洗胶片是一种新型的射线胶片，由近似组织等效材料(H,9.0%;C,60.6%;N,11.2%;O,19.2%)构成，射线照射后发生聚合反应，变为蓝色，聚合物透射光的量可由适当的光密度计测量。图2所示为典型免冲洗胶片(GAFCHROMICEBT)不同能量下的剂量响应。由于此类胶片通过分子间的反应变色，显像尺寸小于晶粒，所以其空间分辨率更高，可用于高剂量梯度场的测量。相比于AgBr胶片，免冲洗胶片不需显影定影处理，不需暗室，剂量率依赖小，能响特性好。适当的控制校准和环境条件，该类胶片剂量测量的不确定度可控制在3%以内［6］。图2免冲洗胶片不同能量下的剂量响应3.3热释光剂量计有些材料吸收辐射能量后处于亚稳态，受激时，该能量以紫外、可见或红外光的形式释放出来，称之为发光。若是热激发，则称之为热释光，该材料称为热释光材料，若是光激发，则称为光释光材料。此处主要讨论基于前者原理的热释光剂量计。热释光是热激发的磷光现象，由于组织等效的考虑，医学中主要用的热释光材料是LiF:Mg,Ti、LiF:Mg,Cu,P和Li2B4O7:Mn。由于有着较高的灵敏度，CaSO4:Dy、Al2O3:C和CaF2:Mn也经常使用［7］。热释光剂量计可以是不同的形式，如粉末、薄片、圆棒、带状等。使用前，热释光剂量计需通过退火以消除残余信号。热释光读数系统由放置并加热热释光剂量片的金属托盘、探测光信号并将其转换为电信号的光电倍增管和读取电信号的静电计组成。热释光强度是温度的函数，保持加热速率与时间t成正比，则发光强度可以以时间t的函数记录下来。LiF:Mg,Ti的温度曲线在180°C至260°C之间的发光峰用于剂量测量，如图3。热释光剂量计在一个很宽泛的放疗剂量中有着很好的剂量线性关系，但每次使用前，热释光剂量计需要进行校准。图3典型热释光(LiF:Mg,Ti)的发光曲线3.4半导体剂量计硅半导体剂量计是一个PN结二极管。由于P型硅有着较小的辐射损伤和暗电流，所以主要用其作为基体制备剂量计。为了降低漏电流半导体剂量计通常不加偏压，相比电离室，其尺寸更小，灵敏度更高。由于灵敏度随辐照会有变化，半导体剂量计不能用于束线校准。半导体剂量计在立体调强放疗和高剂量梯度场的半影区等小范围剂量场的测量中有着特别的应用，也用于测量电子束深度剂量分布。图4比较了电离室、胶片和半导体剂量计测量2cmx2cm辐射场的剖面曲线，可见相比于电离室剂量计，半导体剂量计有着更好的空间分辨能力。实际应用中，半导体剂量计的温度响应、剂量率响应、角度响应和能量响应在测量时需特别考虑并进行适当修正［8］。金属氧化物半导体场效应管也是半导体剂量计的一种，利用阈值电压是吸收剂量的线性函数实现剂量测量。它有着更好的空间分辨率、更宽范围的电子光子能量响应、较小的角度响应，通过双探测系统的设计，可以减小温度响应。图4辐射场剖面曲线3.5其他剂量计塑料闪烁体剂量计最近几年才开始在放疗剂量领域应用，辐射所致的闪烁体的发光通过光电倍增管转换放大，经由光纤收集测量。塑料闪烁体是水等效材料，在放疗临床能量范围内，其质量阻止本领与质能吸收系数与水差异在±2%以内。同时其线性响应、能量响应好，空间分辨率高（体积可小于1mm3）,重复性和长期稳定性好。在10pGy/m（眼科剂量）至10Gy/m（外照射剂量）范围内，闪烁体剂量率响应很小，不需温度气压修正，同时方向响应小。宝石在射线照射时电阻会发生变化，在偏置电压的作用下，产生的电流正比于辐射剂量率。将天然的宝石晶体密封在聚苯乙烯中，通过金电极加置电压，制备成宝石剂量计。宝石剂量计灵敏体积小，只有几立方毫米，所以空间分辨率高。组织等效、能响小、方向响应小、灵敏度高，为了稳定剂量响应，宝石剂量计需要预辐照以减小极化效应。宝石剂量计有一定的温度响应，约为0.1%/C凝胶剂量计能直接实现相对剂量的三维分布测量，近组织等效，可被制成任意形状。现主要应用的是聚合物凝胶剂量计，辐照后发生聚合反应引起光密度变化，再通过核磁共振、CT、光学CT、超声等技术成像，得到剂量分布变化。由于凝胶剂量计有很大的比例是水，所以几乎是水等效的，在放疗剂量的光子和电子束测量中也不需要能量修正。目前使用核磁共振读取数据过程中，没有发现明显的剂量率响应。在复杂的临床剂量相对测量、解剖学形状模体、近距放疗剂量评估等领域，凝胶剂量计有着非常有前途的应用前景［9］。4讨论辐射剂量计由不同形式的探测部分和读数部分组成，依据不同的物理原理进行数据读取和储存，现今最常用的主要有四种辐射剂量计，即电离室、胶片、热释光和半导体剂量计。热释光和半导体剂量计尺寸很小，基本可以认为是点测量。胶片剂量计有着很好的二维空间分辨能力。电离室剂量计根据需要的灵敏度需要一定的实际尺寸。在测量量值的准确度或不确定度方面，电离室剂量计性能最优，被推荐用于束线的校准和检定。在放疗剂量学应用领域，根据测量的条件和要求，结合各种剂量计的优缺点，选用适当的剂量计进行实际测量。[参考文献]国家质量监督检验检疫总局JJF1001-1998通用计量术语及定义[S].ATTIXFH.IntroductiontoRadiologicalPhysicsandRadiationDosimetry[M].Wiley,NewYork1986.Internatio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