放射治療電離輻射劑■計(jì)王坤;楊小元;張輝;楊元第【摘要】介紹了放療劑量學(xué)中電離室、膠片、熱釋光、半導(dǎo)體、閃爍體、寶石和凝膠劑量計(jì)等劑量測(cè)量系統(tǒng)，比較了其準(zhǔn)確度和精度、線性、劑量率響應(yīng)、能量響應(yīng)、方向性響應(yīng)和空間分辨率等性能和參數(shù)，電離室劑量計(jì)用于射線束校準(zhǔn)和檢定，膠片劑量計(jì)單次照射可實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量，熱釋光劑量計(jì)可進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量并基本組織等效，半導(dǎo)體劑量計(jì)響應(yīng)靈敏度高，閃爍體、寶石劑量計(jì)空間分辨率高，凝膠劑量計(jì)可直接實(shí)現(xiàn)三維劑量測(cè)量。【期刊名稱】《計(jì)量學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2011(032)B12【總頁數(shù)】4頁(P22-25)【關(guān)鍵詞】計(jì)量學(xué);電離輻射;劑量計(jì);線性;能量響應(yīng);空間分辨率【作者】王坤;楊小元漲輝;楊元第【作者單位】中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京100013【正文語種】中文【中圖分類】TB981引言輻射劑量計(jì)是用于測(cè)量電離輻射照射量、比釋動(dòng)能、吸收劑量或劑量當(dāng)量的裝置或設(shè)備。一個(gè)劑量學(xué)量的測(cè)量是使用劑量計(jì)在實(shí)驗(yàn)中確定量值的過程，測(cè)量結(jié)果表示為一個(gè)數(shù)值和一個(gè)單位的乘積。作為基本的物理屬性，劑量計(jì)必然是某個(gè)量值的函數(shù)，并用于輻射劑量學(xué)的校準(zhǔn)和檢定。同時(shí)劑量計(jì)必須擁有一些可取的特點(diǎn)。例如，在放射治療領(lǐng)域，確切地知道特定點(diǎn)的水吸收劑量及其空間分布，以及可能傳遞到患者器官的劑量都同樣重要。在這種情況下，理想的劑量計(jì)性能特點(diǎn)可由準(zhǔn)確度和精度、線性、劑量或劑量率的響應(yīng)、能量響應(yīng)、方向性響應(yīng)和空間分辨率等特征表示［1］。顯然，某一種劑量計(jì)不能具備這些特征的所有優(yōu)點(diǎn)，這就需要考慮實(shí)際測(cè)量情況，選擇適當(dāng)?shù)妮椛鋭┝坑?jì)。2劑量計(jì)特性2.1準(zhǔn)確度和精度放療劑量學(xué)中測(cè)量不確定度經(jīng)常以準(zhǔn)確度和精度的形式表示。精度描述的是同條件測(cè)量的重復(fù)性，高精度意味著測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差小。準(zhǔn)確度描述的是測(cè)量結(jié)果接近真值的情況。在測(cè)量結(jié)果中，以A類和B類不確定度的合成表征測(cè)量結(jié)果的總不確定度。2.2線性理想的情況下，劑量計(jì)讀數(shù)M應(yīng)與劑量學(xué)量Q成線性關(guān)系，但是，超過一定劑量范圍會(huì)有非線性存在。線性范圍和非線性行為取決于劑量計(jì)類型和物理特性。劑量測(cè)定系統(tǒng)的響應(yīng)特性的兩個(gè)典型情況為，一種是響應(yīng)首先與劑量表現(xiàn)為線性關(guān)系，然后表現(xiàn)為超線性關(guān)系，最終飽和。另一種是響應(yīng)首先表現(xiàn)為線性而后在高劑量區(qū)飽和。在一般情況下，非線形行為應(yīng)予以糾正。一個(gè)劑量計(jì)的探測(cè)部分和讀數(shù)部分可能都表現(xiàn)出非線性特性，但他們的結(jié)合效果可能會(huì)產(chǎn)生更廣泛范圍的線性關(guān)系。2.3劑量率響應(yīng)累積劑量的測(cè)量應(yīng)與劑量率無關(guān)，劑量測(cè)定系統(tǒng)M/Q，在2個(gè)不同劑量率情況下，應(yīng)保持為一常數(shù)。實(shí)際中，劑量率可能影響劑量計(jì)讀數(shù)，適當(dāng)?shù)男拚潜匾模珉婋x室在脈沖束中的復(fù)合修正。2.4能量響應(yīng)劑量測(cè)定系統(tǒng)M/Q通常是輻射質(zhì)（能量）的函數(shù)，劑量計(jì)在特定輻射質(zhì)下校準(zhǔn)但用于較寬的能量范圍，其響應(yīng)隨輻射質(zhì)的變化需要修正，稱之為能量響應(yīng)修正。理想情況下，能量響應(yīng)盡可能的平坦，即在一定的輻射質(zhì)范圍內(nèi)劑量計(jì)的校準(zhǔn)因子不依賴于能量。現(xiàn)實(shí)中，在決定劑量學(xué)量Q的過程中需考慮能響修正。在放療劑量學(xué)中，溯源的量是水吸收劑量，劑量計(jì)很難在全輻射質(zhì)能量范圍實(shí)現(xiàn)水等效，所以能響是一個(gè)重要的需要考慮的量。2.5方向響應(yīng)劑量計(jì)隨射線入射角度的響應(yīng)變化稱為方向響應(yīng)或角響應(yīng)。由于探測(cè)器具體的物理結(jié)構(gòu)、幾何尺寸和入射輻射質(zhì)能量的不同，劑量計(jì)會(huì)有方向響應(yīng)。通常放療劑量計(jì)臨床使用和校準(zhǔn)會(huì)在同樣幾何條件下使用。2.6空間分辨和物理尺寸由于需要測(cè)量的是一個(gè)點(diǎn)的量值，所以劑量計(jì)應(yīng)盡可能地實(shí)現(xiàn)一個(gè)小體積的測(cè)量，同時(shí)在參考坐標(biāo)系中精確地定義測(cè)量點(diǎn)的位置也同等重要。除上述特性，能否直接讀數(shù)或?qū)崟r(shí)給出測(cè)量結(jié)果，能否重復(fù)使用測(cè)量，能否單次照射給出面或體劑量的分布等，都是選用劑量計(jì)需要考慮的特性。3劑量計(jì)3.1電離室劑量計(jì)電離室劑量計(jì)主要用于放射治療和診斷的劑量測(cè)定，參考輻射條件下的劑量測(cè)量也被稱為束線校準(zhǔn)。根據(jù)需要，電離室有不同的形狀和尺寸，但其基本特征主要有以下幾個(gè)方面。電離室的基本構(gòu)成是導(dǎo)電的外壁包圍著一定體積的充氣的空腔，并有一個(gè)中心收集電極。電離室壁和收集電極之間會(huì)有極化電壓，并由高絕緣材料分開以減少漏電。通常會(huì)有保護(hù)級(jí)以進(jìn)一步減少漏電，保護(hù)級(jí)截取漏電流并直接導(dǎo)入大地。同時(shí)保護(hù)級(jí)可以使靈敏體積區(qū)域的電場(chǎng)更均勻，有利于電荷準(zhǔn)確收集。由于測(cè)量體積中空氣質(zhì)量隨環(huán)境條件變化，與大氣相通的電離室在測(cè)量時(shí)需要溫度和氣壓的修正。圖1圓柱farmer型電離室基本結(jié)構(gòu)圖靜電計(jì)是測(cè)量小電流的裝置，特征電流在納安量級(jí)或更小。與電離室連接的靜電計(jì)通常是高增益、負(fù)反饋的放大器，在標(biāo)準(zhǔn)電阻或標(biāo)準(zhǔn)電容上測(cè)量電離電流。最通用的圓柱形電離室是體積為0.6cm3由Farmer設(shè)計(jì)的電離室，如圖1，用于放療劑量的束線校準(zhǔn)［2］。現(xiàn)在，很多制造商都生產(chǎn)圓柱形電離室，靈敏體積由0.1cm3至1cm3。電離室空腔的長度一般不超過25mm，直徑不超過7mm。為了組織等效或空氣等效，壁材料選用低原子序數(shù)材料，厚度小于0.1g/cm2。在60Co輻射場(chǎng)的自由空氣中進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，電離室需要配備一個(gè)厚度約0.5g/cm2的平衡帽。盡管為了確保平坦的能響，中心電極為直徑1mm的鋁，但電離室的構(gòu)造應(yīng)盡可能的均質(zhì)。不同商用圓柱形電離室的詳細(xì)結(jié)構(gòu)可見國際原子能機(jī)構(gòu)技術(shù)報(bào)告TRS277［3］和TRS398［4］。平行板電離室由兩個(gè)平面壁組成，一個(gè)作為入射窗和極化電極，另一個(gè)作為后壁和收集電極，后壁通常是一塊導(dǎo)電塑料或帶有石墨導(dǎo)電層的不導(dǎo)電材料。平行板電離室被推薦用于電子束能量低于10MeV時(shí)的測(cè)量，也用于光子束的表面劑量和建成區(qū)深度劑量分布測(cè)量。商用平行板電離室的特性及其在電子束下的使用可參見TRS381［5］和TRS398報(bào)告。測(cè)量近距治療源低空氣比釋動(dòng)能率時(shí)需要電離室有充足的體積（250cm3或更多）和足夠的靈敏度。井型電離室適用于近距治療源的校準(zhǔn)，根據(jù)臨床典型源的形狀和尺寸設(shè)計(jì)制造的井型電離室通常以參考空氣比釋動(dòng)能率進(jìn)行量值傳遞。夕卜推電離室是靈敏體積可變的平行板電離室，用于P射線和低能X射線劑量測(cè)量以及兆伏X射線束的表面劑量等。將其置于組織等效模體中時(shí)也可用于測(cè)量絕對(duì)劑量值。通過測(cè)量空腔厚度變化函數(shù)可外推至零厚度，從而修正電子空腔擾動(dòng)，可用于評(píng)估有限厚度的平行板電離室空腔擾動(dòng)。3.2膠片劑量計(jì)膠片劑量計(jì)在放射診斷、放射治療和輻射防護(hù)領(lǐng)域都起著重要的作用，通常由薄的塑料基底和均勻覆蓋一面或兩面的輻射敏感涂層(AgBr)構(gòu)成。輻射相互作用致使AgBr電離，在膠片上形成潛影。顯影、定影后圖像可見并可持久保存，膠片的不透明性由密度計(jì)測(cè)量的光密度值表示。膠片有著很好的二維空間分辨能力，單次輻照后，可以給出照射的空間分布信息。膠片的有效劑量范圍有一定的限制，低能光子區(qū)能響明顯，膠片響應(yīng)的參數(shù)控制較難，使得其定量測(cè)量難度相對(duì)較大。免沖洗膠片是一種新型的射線膠片，由近似組織等效材料(H,9.0%;C,60.6%;N,11.2%;O,19.2%)構(gòu)成，射線照射后發(fā)生聚合反應(yīng)，變?yōu)樗{(lán)色，聚合物透射光的量可由適當(dāng)?shù)墓饷芏扔?jì)測(cè)量。圖2所示為典型免沖洗膠片(GAFCHROMICEBT)不同能量下的劑量響應(yīng)。由于此類膠片通過分子間的反應(yīng)變色，顯像尺寸小于晶粒，所以其空間分辨率更高，可用于高劑量梯度場(chǎng)的測(cè)量。相比于AgBr膠片，免沖洗膠片不需顯影定影處理，不需暗室，劑量率依賴小，能響特性好。適當(dāng)?shù)目刂菩?zhǔn)和環(huán)境條件，該類膠片劑量測(cè)量的不確定度可控制在3%以內(nèi)［6］。圖2免沖洗膠片不同能量下的劑量響應(yīng)3.3熱釋光劑量計(jì)有些材料吸收輻射能量后處于亞穩(wěn)態(tài)，受激時(shí)，該能量以紫外、可見或紅外光的形式釋放出來，稱之為發(fā)光。若是熱激發(fā)，則稱之為熱釋光，該材料稱為熱釋光材料，若是光激發(fā)，則稱為光釋光材料。此處主要討論基于前者原理的熱釋光劑量計(jì)。熱釋光是熱激發(fā)的磷光現(xiàn)象，由于組織等效的考慮，醫(yī)學(xué)中主要用的熱釋光材料是LiF:Mg,Ti、LiF:Mg,Cu,P和Li2B4O7:Mn。由于有著較高的靈敏度，CaSO4:Dy、Al2O3:C和CaF2:Mn也經(jīng)常使用［7］。熱釋光劑量計(jì)可以是不同的形式，如粉末、薄片、圓棒、帶狀等。使用前，熱釋光劑量計(jì)需通過退火以消除殘余信號(hào)。熱釋光讀數(shù)系統(tǒng)由放置并加熱熱釋光劑量片的金屬托盤、探測(cè)光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電倍增管和讀取電信號(hào)的靜電計(jì)組成。熱釋光強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，保持加熱速率與時(shí)間t成正比，則發(fā)光強(qiáng)度可以以時(shí)間t的函數(shù)記錄下來。LiF:Mg,Ti的溫度曲線在180°C至260°C之間的發(fā)光峰用于劑量測(cè)量，如圖3。熱釋光劑量計(jì)在一個(gè)很寬泛的放療劑量中有著很好的劑量線性關(guān)系，但每次使用前，熱釋光劑量計(jì)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。圖3典型熱釋光(LiF:Mg,Ti)的發(fā)光曲線3.4半導(dǎo)體劑量計(jì)硅半導(dǎo)體劑量計(jì)是一個(gè)PN結(jié)二極管。由于P型硅有著較小的輻射損傷和暗電流，所以主要用其作為基體制備劑量計(jì)。為了降低漏電流半導(dǎo)體劑量計(jì)通常不加偏壓，相比電離室，其尺寸更小，靈敏度更高。由于靈敏度隨輻照會(huì)有變化，半導(dǎo)體劑量計(jì)不能用于束線校準(zhǔn)。半導(dǎo)體劑量計(jì)在立體調(diào)強(qiáng)放療和高劑量梯度場(chǎng)的半影區(qū)等小范圍劑量場(chǎng)的測(cè)量中有著特別的應(yīng)用，也用于測(cè)量電子束深度劑量分布。圖4比較了電離室、膠片和半導(dǎo)體劑量計(jì)測(cè)量2cmx2cm輻射場(chǎng)的剖面曲線，可見相比于電離室劑量計(jì)，半導(dǎo)體劑量計(jì)有著更好的空間分辨能力。實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體劑量計(jì)的溫度響應(yīng)、劑量率響應(yīng)、角度響應(yīng)和能量響應(yīng)在測(cè)量時(shí)需特別考慮并進(jìn)行適當(dāng)修正［8］。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管也是半導(dǎo)體劑量計(jì)的一種，利用閾值電壓是吸收劑量的線性函數(shù)實(shí)現(xiàn)劑量測(cè)量。它有著更好的空間分辨率、更寬范圍的電子光子能量響應(yīng)、較小的角度響應(yīng)，通過雙探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以減小溫度響應(yīng)。圖4輻射場(chǎng)剖面曲線3.5其他劑量計(jì)塑料閃爍體劑量計(jì)最近幾年才開始在放療劑量領(lǐng)域應(yīng)用，輻射所致的閃爍體的發(fā)光通過光電倍增管轉(zhuǎn)換放大，經(jīng)由光纖收集測(cè)量。塑料閃爍體是水等效材料，在放療臨床能量范圍內(nèi)，其質(zhì)量阻止本領(lǐng)與質(zhì)能吸收系數(shù)與水差異在±2%以內(nèi)。同時(shí)其線性響應(yīng)、能量響應(yīng)好，空間分辨率高（體積可小于1mm3）,重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好。在10pGy/m（眼科劑量）至10Gy/m（外照射劑量）范圍內(nèi)，閃爍體劑量率響應(yīng)很小，不需溫度氣壓修正，同時(shí)方向響應(yīng)小。寶石在射線照射時(shí)電阻會(huì)發(fā)生變化，在偏置電壓的作用下，產(chǎn)生的電流正比于輻射劑量率。將天然的寶石晶體密封在聚苯乙烯中，通過金電極加置電壓，制備成寶石劑量計(jì)。寶石劑量計(jì)靈敏體積小，只有幾立方毫米，所以空間分辨率高。組織等效、能響小、方向響應(yīng)小、靈敏度高，為了穩(wěn)定劑量響應(yīng)，寶石劑量計(jì)需要預(yù)輻照以減小極化效應(yīng)。寶石劑量計(jì)有一定的溫度響應(yīng)，約為0.1%/C凝膠劑量計(jì)能直接實(shí)現(xiàn)相對(duì)劑量的三維分布測(cè)量，近組織等效，可被制成任意形狀。現(xiàn)主要應(yīng)用的是聚合物凝膠劑量計(jì)，輻照后發(fā)生聚合反應(yīng)引起光密度變化，再通過核磁共振、CT、光學(xué)CT、超聲等技術(shù)成像，得到劑量分布變化。由于凝膠劑量計(jì)有很大的比例是水，所以幾乎是水等效的，在放療劑量的光子和電子束測(cè)量中也不需要能量修正。目前使用核磁共振讀取數(shù)據(jù)過程中，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的劑量率響應(yīng)。在復(fù)雜的臨床劑量相對(duì)測(cè)量、解剖學(xué)形狀模體、近距放療劑量評(píng)估等領(lǐng)域，凝膠劑量計(jì)有著非常有前途的應(yīng)用前景［9］。4討論輻射劑量計(jì)由不同形式的探測(cè)部分和讀數(shù)部分組成，依據(jù)不同的物理原理進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和儲(chǔ)存，現(xiàn)今最常用的主要有四種輻射劑量計(jì)，即電離室、膠片、熱釋光和半導(dǎo)體劑量計(jì)。熱釋光和半導(dǎo)體劑量計(jì)尺寸很小，基本可以認(rèn)為是點(diǎn)測(cè)量。膠片劑量計(jì)有著很好的二維空間分辨能力。電離室劑量計(jì)根據(jù)需要的靈敏度需要一定的實(shí)際尺寸。在測(cè)量量值的準(zhǔn)確度或不確定度方面，電離室劑量計(jì)性能最優(yōu)，被推薦用于束線的校準(zhǔn)和檢定。在放療劑量學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)測(cè)量的條件和要求，結(jié)合各種劑量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)膭┝坑?jì)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。[參考文獻(xiàn)]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局JJF1001-1998通用計(jì)量術(shù)語及定義[S].ATTIXFH.IntroductiontoRadiologicalPhysicsandRadiationDosimetry[M].Wiley,NewYork1986.InternationalAtomicEnergyAgency,AbsorbedDoseDeterminationinPhotonandElectronBeams-AnInternationalCodeofPractice[R].IAEATechnicalReportSeriesNo.277,Vienna,IAEA,1987.InternationalAtomicEnergyAgency,AbsorbedDoseDeterminationinExternalBeamRadiotherapy[R].IAEATechnicalReportsSeriesNo.398,Vienna,IAEA,2000InternationalAtomicEnergyAgency,TheUseofPlaneParallelIonizationChambersinHighEnergyElectronandPhotonBeams[R].IAEATechnicalReportsSeriesNo.381,Vienna,IAEA,1997.TsangCheung,MartinJ.Butson,PeterK.N.Yu,etal,IndependenceofcalibrationcurvesforEBTGafchromicfilmsofthesizeofhigh-energyX-rayfields[J].AppliedRadiationandIsotopes,2006,64:1027-1030.AkikoKonnai,NaotoOzasa,Yuh-zohIshikawa,etal.Improvementofthermolumi