重離子束水吸收劑量的電離法實(shí)驗(yàn)研究

金孫均，王 坤,*，王志鵬，范耀東，楊小元，張 健，賀鵬博，申國盛，戴天緣，李 強(qiáng)

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

重離子在介質(zhì)中的能量損失率在其射程末端急劇增大，形成Bragg峰，即絕大部分能量沉積于射程末端。結(jié)合適當(dāng)?shù)姆椒蓪?duì)重離子注入人體的深度及能量分布進(jìn)行精確調(diào)整，極大降低對(duì)病灶周邊正常組織的危害[1-2]。正因?yàn)檫@種特性，重離子治療近些年來在國內(nèi)外放療領(lǐng)域頗受重視[3-4]。當(dāng)前世界范圍內(nèi)已有13臺(tái)大型重離子治療裝置。我國目前已建成了3臺(tái)重離子治療示范裝置[5]，并自主設(shè)計(jì)了相應(yīng)的治療計(jì)劃系統(tǒng)[6]，更多的重離子治療裝置建設(shè)已在籌劃之中。

水吸收劑量是放射治療的處方劑量，與高能光子束的水吸收劑量的溯源方法類似，重離子束的水吸收劑量也是通過相關(guān)計(jì)算方法溯源至60Co γ水吸收劑量基準(zhǔn)[7]。目前，重離子束的水吸收劑量溯源的不確定度約3%，而高能光子束的不確定度可小于1.5%。存在上述差距的原因可簡單概括為：1) 重離子與水和其他介質(zhì)的相互作用的物理過程較光子而言更復(fù)雜多變。光子通過光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對(duì)生成3種機(jī)制與介質(zhì)發(fā)生相互作用，而重離子與介質(zhì)的相互作用機(jī)制卻可能包括彈性散射、非彈性散射、深度非彈性散射、庫倫激發(fā)等，導(dǎo)致理論計(jì)算的重離子束的關(guān)鍵物理量(如阻止本領(lǐng)比)要較光子束的復(fù)雜得多[8-10]。2) 高能光子束水吸收劑量的絕對(duì)測(cè)量研究已廣泛開展，包括加拿大、美國、德國等國家早已建立相應(yīng)的裝置用于高能光子束水吸收劑量的量值復(fù)現(xiàn)[11-13]。因此，高能光子束的水吸收劑量溯源已有相對(duì)較多的絕對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為支撐，重離子束水吸收劑量的絕對(duì)測(cè)量研究則相對(duì)處于起步階段[14]。

指形電離室和平板電離室是最常見的用于重離子束水吸收劑量測(cè)量的探測(cè)器裝置，J?kel等[15]用指型電離室驗(yàn)證了重離子束治療計(jì)劃算法的準(zhǔn)確性。Kanai等[16]在質(zhì)子、重離子束深度曲線的不同位置對(duì)指形電離室和平行板電離室的交叉校準(zhǔn)進(jìn)行了比較研究。德國物理技術(shù)研究院(PTB)的Osinga-Bl?ttermann等[17]利用絕對(duì)測(cè)量方法開展了重離子束水吸收劑量的量值復(fù)現(xiàn)研究，該團(tuán)隊(duì)的最新研究結(jié)果表明FC65-G和TW30013兩種指形電離室的重離子束輻射質(zhì)修正因子kQ分別較國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)現(xiàn)行的398號(hào)報(bào)告中給出的建議值偏大1.1%、偏小0.4%。中國計(jì)量科學(xué)研究院已具備高能光子束水吸收劑量絕對(duì)測(cè)量能力，并于2016年完成了國際計(jì)量局(BIPM)的關(guān)鍵比對(duì)，相關(guān)測(cè)量能力與先進(jìn)國家取得了等效互認(rèn)[18]。中國計(jì)量科學(xué)研究院正計(jì)劃開展重離子束水吸收劑量的絕對(duì)測(cè)量研究，逐步完善我國放射治療量值溯源體系。本文在重離子治療裝置上用傳統(tǒng)電離法開展了重離子束水吸收劑量測(cè)量工作。

1 實(shí)驗(yàn)

在武威重離子治療中心的醫(yī)用重離子加速器示范裝置上，利用能量為400 MeV/u、束流強(qiáng)度約為1.5 nA且具有6 cm展寬Bragg峰(SOBP)的碳離子束開展實(shí)驗(yàn)工作，該能量的碳離子束在水中的射程約為271.4 mm。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，用于測(cè)量的水箱容積為30 cm×30 cm×30 cm，其壁材料為20 mm厚的有機(jī)玻璃，入射窗的有機(jī)玻璃厚度為2.61 mm，水平入射的束流在水箱的入射窗前表面形成10 cm×10 cm的方形輻射野。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic layout for experimental setup

1.1 探測(cè)器設(shè)置

本工作用FC65-G-1736、TW30013-4678、TW30013-9166和TW34001-2412 4只電離室進(jìn)行測(cè)量，其中FC65-G與TW30013均為常見的指形電離室，TW34001是平板電離室。以上電離室用于測(cè)量時(shí)的有效深度均為水下30 mm，考慮了水箱前窗的水等效厚度[19]以及各電離室在測(cè)量重離子束水吸收劑量時(shí)的有效測(cè)量點(diǎn)，指形電離室的有效測(cè)量點(diǎn)為定位前0.75rcyl(rcyl為電離室半徑)，平板電離室的有效測(cè)量點(diǎn)為其表面后1 mm[20]。實(shí)驗(yàn)前，這4只電離室均進(jìn)行了60Co γ水吸收劑量的校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)過程中它們先后、交替地被安裝到位開展相關(guān)測(cè)量。從圖1可看出，測(cè)量電離室位于深度劑量曲線的平臺(tái)區(qū)，劑量變化平緩，較適合開展前期的劑量學(xué)研究工作，如Kanai等在平臺(tái)區(qū)開展了電離室的交叉校準(zhǔn)研究[16]、Osinga-Bl?ttermann等的絕對(duì)測(cè)量研究亦是在平臺(tái)區(qū)進(jìn)行[17]。在測(cè)量電離室側(cè)后方，安裝另外1只指形電離室(編號(hào)為TW30013-9086)用于同步監(jiān)測(cè)入射束的相對(duì)強(qiáng)度，以便對(duì)4只測(cè)量電離室的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一分析。實(shí)驗(yàn)中，用數(shù)字化溫度氣壓計(jì)對(duì)水箱中的溫度及測(cè)量環(huán)境的氣壓進(jìn)行同步監(jiān)督，溫度計(jì)探頭安裝在水模體中恰當(dāng)位置，避免與束流相互干擾。加速器自帶的監(jiān)督電離室位于束流管道的下游，該電離室為平行板電離室，其內(nèi)部充入氮?dú)膺M(jìn)行探測(cè)，有效探測(cè)面積為200 mm×200 mm，可完全覆蓋束流[21]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)用于本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取。該系統(tǒng)可同步收集兩臺(tái)靜電計(jì)的數(shù)據(jù)以及溫度氣壓并對(duì)所采集的電離電荷進(jìn)行空氣密度修正。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量電離室以及監(jiān)督電離室的電離電荷信號(hào)均由KEITHLEY 6517B型高精度靜電計(jì)收集。測(cè)量時(shí)，設(shè)置每實(shí)驗(yàn)輪次的電荷采集模式早于出束且晚于停束，以便能完全收集在束的電離電荷，4只電離室均各自采集了6組數(shù)據(jù)用于進(jìn)行重離子束水吸收劑量的計(jì)算。

1.3 修正項(xiàng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)

電離室的極化效應(yīng)和離子復(fù)合效應(yīng)修正除與電離室自身的參數(shù)(如靈敏體積等)相關(guān)，也受具體的輻射束影響[22]。重離子束條件下的極化效應(yīng)kpol的計(jì)算公式為：

(1)

其中：M為電離室常規(guī)工作高壓設(shè)置下的讀數(shù)；M+、M-分別為正、負(fù)極性條件下的讀數(shù)。FC65-G、TW30013和TW34001 3種電離室的工作高壓分別為300、400、400 V。

電離室在重離子束條件下的離子復(fù)合效應(yīng)修正應(yīng)考慮一般復(fù)合和初始復(fù)合的貢獻(xiàn)，一般復(fù)合修正ks的計(jì)算公式為：

(2)

式中：a0、a1、a2為常系數(shù)[7]，查表可得；M1、M2分別為電離室加不同高壓下的讀數(shù)，通常情況下M1對(duì)應(yīng)于常規(guī)工作高壓下的讀數(shù)。

初始復(fù)合修正的評(píng)價(jià)則需測(cè)量若干個(gè)高壓條件V1、V2、…下對(duì)應(yīng)的結(jié)果M1、M2、…，其中M1為常規(guī)工作高壓V1對(duì)應(yīng)的讀數(shù)?？紤]以下計(jì)算過程：

(3)

(4)

利用碳離子束測(cè)量得出的4只電離室的極化效應(yīng)、離子復(fù)合效應(yīng)的修正因子列于表1。表1中也列出了60Co γ輻射束條件下的相關(guān)電離室的極化效應(yīng)和離子復(fù)合效應(yīng)修正因子和各修正因子的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可看出，各電離室在重離子束條件下極化效應(yīng)及離子復(fù)合效應(yīng)修正因子的不確定度均顯著大于60Co γ輻射束條件下的相應(yīng)結(jié)果。

表1 各電離室在碳離子束和60Co γ輻射束下的極化效應(yīng)和離子復(fù)合效應(yīng)修正Table 1 Correction for polarity and recombination effects of ionization chambers with carbon ion beam and 60Co γ beam

2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

2.1 兩種方法的歸一對(duì)比

圖2 重離子加速器的穩(wěn)定性以及利用加速器MU和電離室歸一的比較Fig.2 Stability of heavy ion accelerator and comparison for normalization with synchronized MU and ionization chamber

利用加速器監(jiān)督電離室的MU參數(shù)，評(píng)價(jià)得出了實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的碳離子束流的輸出穩(wěn)定性約為0.3%，示于圖2，為更直觀評(píng)價(jià)一系列數(shù)據(jù)，圖2給出了±0.5%的參考限。對(duì)測(cè)量電離室的結(jié)果進(jìn)行歸一，一方面可利用TW30013-9086監(jiān)督電離室的同步測(cè)量數(shù)據(jù)，另一方面亦可借助加速器監(jiān)督電離室所測(cè)量的MU值，這兩種方法對(duì)測(cè)量電離室歸一的對(duì)比示于圖2，可看出由加速器監(jiān)督電離室的MU進(jìn)行的歸一結(jié)果要顯著好于利用實(shí)驗(yàn)安裝在水箱中的TW30013-9086監(jiān)督電離室歸一的結(jié)果，特別是當(dāng)加速器的束流輸出變化相對(duì)較劇烈時(shí)(圖2中由矩形框標(biāo)注的測(cè)量點(diǎn))。

對(duì)圖2中的兩組結(jié)果進(jìn)行分析可得：加速器MU歸一和TW30013-9086監(jiān)督電離室歸一的穩(wěn)定性分別為0.4%、0.8%，可見采用加速器MU進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸一相對(duì)較好。后續(xù)的工作中也會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化采用電離室監(jiān)督測(cè)量的方案，如嘗試使用較大測(cè)量面積的電離室。

2.2 12C離子束的水吸收劑量

電離法測(cè)量重離子束的水吸收劑量Dw[7]按下式進(jìn)行計(jì)算：

(5)

表2 電離室測(cè)量重離子束水吸收劑量相關(guān)的計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameter of absorbed-dose to water of heavy ion beam measured by ionization chamber

圖3 電離室測(cè)量能量400 MeV/u具有6 cm SOBP的12C離子束水吸收劑量結(jié)果比較Fig.3 Comparison for absorbed-dose to water of 12C ion beam with energy of 400 MeV/u and SOBP of 6 cm via ionization chamber

表3 電離室測(cè)量重離子束水吸收劑量的不確定度分析Table 3 Uncertainty analysis of absorbed-dose to water of heavy ion beam measured by ionization chamber

3 總結(jié)與討論

本工作用傳統(tǒng)電離法開展了能量400 MeV/u、具有6 cm SOBP的12C離子束水吸收劑量的測(cè)量，對(duì)重離子束條件下相關(guān)電離室的修正項(xiàng)和不確定度開展了評(píng)價(jià)研究。分別參考IAEA398報(bào)告和絕對(duì)測(cè)量得出的各電離室的輻射質(zhì)修正因子，得到了重離子束水吸收劑量的電離室測(cè)量結(jié)果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對(duì)電離室測(cè)量重離子束水吸收劑量的不確定度進(jìn)行了分析。

開展重離子束水吸收劑量的絕對(duì)測(cè)量研究的難度較大，目前僅少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了相關(guān)工作。在正式開展重離子束水吸收劑量的絕對(duì)測(cè)量前，需以本工作或其他相關(guān)研究為先導(dǎo)，熟悉重離子束水吸收劑量絕對(duì)測(cè)量研究開展的各種條件。更系統(tǒng)的相關(guān)研究工作正在進(jìn)行之中。

感謝武威醫(yī)用重離子加速器示范裝置的運(yùn)行人員提供的支持和幫助。