高劑量率192Ir γ射線參考輻射場的搭建

支世杰, 王 繼, 王培瑋, 吳金杰, 任世偉

(1.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院 放療科，河北 唐山 063000；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；3.河北科技大學(xué) 理學(xué)院，河北 石家莊 050018)

1 引 言

在放射治療領(lǐng)域,根據(jù)射線源的不同可具體分為密封源治療和非密封源治療。其中密封源治療又包括了遠距離治療和近距離治療。在近距離治療中,高劑量率192Ir近距離治療是非常重要的一種治療手段[1]。

高劑量率192Ir近距離治療由于劑量率高,且直接與病變組織接觸,可以在較短的時間內(nèi)對惡性腫瘤進行大劑量的照射,因此對于宮頸癌[2,3]、前列腺癌[4]等惡性腫瘤具有較好的治療效果。

國際計量局(BIPM)在電離輻射劑量領(lǐng)域開展的國際關(guān)鍵比對共有9項,截止2021年中國計量科學(xué)研究院參比項目共有7項。完成BIPM.RI(I)-K8的比對工作[5,6],將進一步拉近我國與先進國家輻射劑量學(xué)領(lǐng)域計量能力的差距,提升我國測量和校準(zhǔn)能力,提高涉及經(jīng)濟商貿(mào)的測量檢驗計量互認協(xié)議的地位。參考輻射場的搭建將為192Ir參考空氣比釋動能率量值復(fù)現(xiàn)及國際比對等工作打下基礎(chǔ)。

2 輻照器的設(shè)計

2.1 輻照器設(shè)計

輻照器承擔(dān)了射束準(zhǔn)直、消除環(huán)境散射等作用,可為實驗測量提供一個準(zhǔn)直的射束環(huán)境。同時放射源在輻照器中時,為了不影響測量,要求經(jīng)過輻照器衰減后的劑量和經(jīng)過混凝土地面和墻壁的反射后的劑量應(yīng)低于主光束劑量的0.1%[6,7]。

輻照器的主體材料為鉛銻合金(91%Pb,9%Sb),起到限束準(zhǔn)直效果;前表面光闌由鎢合金(89%W,7%Ni,4%Fe)制成。

為確定輻照器各方向的厚度,根據(jù)空氣比釋動能常數(shù)[8]109.1 μGy·m2·GBq-1·h-1和192Ir活度3.7×1011Bq(10 Ci),按照γ射線衰減的規(guī)律進行計算。對于窄束單能γ射線在穿過指定材料時符合e指數(shù)衰減,方程為:

I=I0e-μd

(1)

式中:I和I0分別表示穿過指定材料前后的射線強度;d為材料厚度;μ為線性衰減系數(shù)。

設(shè)計的輻照器前壁厚為75 mm,上下左右及后壁厚度為40 mm[9]。根據(jù)文獻[10],192Ir放射源的能譜最高能量為885 keV;按照最高能量進行衰減計算,利用美國NIST官網(wǎng)質(zhì)量衰減系數(shù)數(shù)據(jù)庫等參數(shù),采用線性內(nèi)插等方法,最終得到通過輻照器的衰減參數(shù),如表1。

表1 輻照器衰減參數(shù)的計算

根據(jù)計算結(jié)果,確定輻照器的結(jié)構(gòu),其具體參數(shù)如表2。

表2 輻照器具體結(jié)構(gòu)

2.2 輻照器及空間散射計算

參考輻射場中放射源主射束以外的散射輻射對所需測量的輻射份額貢獻不應(yīng)超過總劑量率的0.1%[6,7](輻射源包殼所造成的的散射份額不計算在內(nèi))。綜合考慮實驗室實際大小(6 m×5 m×5 m)、房間墻壁厚度(1 m×2 m)、地板材質(zhì)、輻照器大小厚度(參見表2)及擺放位置、探測器擺放位置等因素,對輻照器及空間散射進行模擬計算。

采用蒙特卡羅軟件[11]模擬計算,參考輻照器實際擺放位置,模型中輻照器距離后墻1.5 m,距離右墻2 m,距離左墻6 m,距離地面1.5 m,射束方向墻面6 m。放射源位置與輻照器的位置均與實際實驗、設(shè)計相同,并在距離放射源1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m的位置設(shè)置與基準(zhǔn)電離室體積相同的球型探測器,計算實際場景與無限大場景(空間介質(zhì)為真空,默認該場景下無散射份額)下球體中的沉積能量。最終計算得出散射份額遠遠小于0.1%的標(biāo)準(zhǔn)要求,輻照器設(shè)計合理,滿足量值復(fù)現(xiàn)需要,模擬結(jié)果如表3。

表3 輻射場散射模擬結(jié)果

3 定位裝置

3.1 輻射源定位裝置

在高劑量率192Ir γ射線參考輻射場的搭建過程中,選用醫(yī)用的后裝治療機作為輻射源定位裝置,放射源通過后裝機的驅(qū)動送入輻照器中。源在輻照器中要確定最佳位置,見圖1,步長選定為2 mm,放射源位于1 026 mm位置時電離電流最大且居于中間位置,認為此處為源的近似最佳位置,然后經(jīng)過輻照器的準(zhǔn)直屏蔽作用,最終形成準(zhǔn)直的192Ir γ射線束。具體布置如圖2所示,醫(yī)用后裝機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表4。

圖1 放射源最佳位置測量

圖2 后裝機與輻照器連接示意圖

表4 醫(yī)用后裝機技術(shù)參數(shù)

3.2 探測器定位裝置

定位導(dǎo)軌為π型軌道,導(dǎo)軌設(shè)計有四軸直線運動,兩軸旋轉(zhuǎn)運動,平臺主體為標(biāo)準(zhǔn)螺紋陣列,為后期功能的拓展留有空間,在平行光路及垂直光路上分別設(shè)計有定位激光器,以保證實驗過程中儀器定位的準(zhǔn)確,設(shè)計有兩個完全相同的電離室支架,為后期復(fù)現(xiàn)參考空氣比釋動能率量值及其量值傳遞留有擴展位。定位平臺經(jīng)過嚴格的水平校正。定位平臺中使用到的電機均為伺服電機,兩個電離室支架的設(shè)計保證了不同電離室在夾持和旋轉(zhuǎn)的過程中始終同心,且配置有電動的升降支架,滿足不同結(jié)構(gòu)的電離室的使用。定位裝置如圖3所示,設(shè)計參數(shù)如表5。

圖3 探測器定位裝置

表5 探測器定位裝置相關(guān)參數(shù)

表5中X方向為與光路平行的方向,Y方向為與光路水平垂直的方向,Z為升降方向,R軸為旋轉(zhuǎn)方向,可360°旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌的設(shè)計可滿足基準(zhǔn)量值的復(fù)現(xiàn),同時滿足儀器校準(zhǔn),儀器角響應(yīng)測量,輻射野測量等功能。

3.3 輻射野測量

為確定導(dǎo)軌與光路是否完全平行,并且確定輻射場的設(shè)計是否滿足基準(zhǔn)電離室的量值復(fù)現(xiàn)需求與量值傳遞的需求。在距離輻射源1.4 m的位置進行了輻射野的測量,并進一步驗證不同位置輻射野的均勻性。因球形電離室的支撐桿會造成掃描垂直方向輻射野,且電離室處于輻射野中不同位置的桿長短不同,桿散射影響不同,造成偏差;故而采用體積與基準(zhǔn)球形石墨空腔電離室較為接近的球形商用電離室Standard Imaging A5電離室,其具體參數(shù)見表6。實驗過程中儀器擺放位置如圖4所示。

圖4 掃描輻射野儀器擺放示意圖

表6 A5電離室具體參數(shù)

通過掃描處理,可以看出在1.4 m的位置,測量用電離室?guī)缀沃行奈恢门c光路軸完全重合,通過換算可知此位置的輻射野半徑為:

R=R′+r

(2)

式中:R為實際輻射野半徑;R′為測量半徑;r為電離室半徑。將測量數(shù)據(jù)按照最大值進行歸一處理,見圖5?？芍椛湟爸睆骄鶆蛐院糜?5%的尺寸約為98 mm,均勻性好于98%的直徑約為92 mm,而基準(zhǔn)石墨空腔電離室的有效體積直徑為64 mm,滿足量值復(fù)現(xiàn)需要。

圖5 距離放射源1.4 m處輻射野掃描結(jié)果

4 能譜測量與模擬

4.1 能譜測量

選用ORTEC公司的HPGe探測器,其靈敏區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸如表7。

表7 HPGe譜儀結(jié)構(gòu)尺寸

譜儀的輸出脈沖和它所吸收的射線能量之間存在線性關(guān)系,利用放射性核素衰變放射出的特征射線對HPGe譜儀進行能量刻度,即可得到HPGe譜儀的能量-道址函數(shù)。本實驗選用241Am、60Co、137Cs、22Na、88Y、109Cd六種核素,能量范圍覆蓋了22～1 836 keV。最終得到的能量-道址的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 HPGe譜儀的能量-道地址校準(zhǔn)

進行線性擬合得到函數(shù):

E=0.183×Channel+0.009

(3)

式中:E為射線能量;Channel為道址。

因醫(yī)用高劑量率192Ir輻射源活度過高,直接測量能譜的話,會導(dǎo)致HPGe譜儀收到的脈沖信號過多,導(dǎo)致儀器的死時間過長,無法正常工作。在輻照器光闌[12]出射口處增加厚度為5 cm,孔徑為1 mm的鉛質(zhì)光闌進行限束并進一步準(zhǔn)直,將大部分的光子進行屏蔽;同時,通過改變HPGe譜儀距離輻射源中心的位置,最終確定在距離輻射源2.5 m的位置進行能譜的測量,此種測量環(huán)境可保持HPGe譜儀處于較好的工作狀態(tài),保證譜形不發(fā)生變化的同時計數(shù)系統(tǒng)的死時間控制在10%以下。實際測量中儀器擺放位置如圖7。能譜測量結(jié)果如圖8。

圖7 能譜測量儀器擺放位置

圖8 能譜測量結(jié)果

4.2 能譜模擬

根據(jù)輻射源結(jié)構(gòu),利用蒙特卡羅軟件對輻射源結(jié)構(gòu)進行了建模[13～15],考慮輻射源包殼對低能光子的影響以及空氣散射[16,17],輸入能量為“Ir-192_tables”能譜[10]。對國產(chǎn)醫(yī)用192Ir輻射源的能譜進行了模擬,得出的能譜如圖9。

圖9 醫(yī)用192Ir源模擬能譜

通過2個能譜的比較,發(fā)現(xiàn)HPGe譜儀的測量譜與蒙特卡羅模擬軟件計算的模擬譜契合度良好,沒有明顯差別。

5 半值層及有效能量測量

半值層是表示光子穿透物質(zhì)能量的特征參數(shù)[18]。高劑量率192Ir輻射源為密封源,密封于厚度為0.15 mm的不銹鋼材料中。高能射線通過不銹鋼材料衰減后,其低能部分光子衰減份額要高于高能部分光子的衰減份額,因此會導(dǎo)致其平均能量或有效能量變的高于其192Ir裸源的平均能量或有效能量。為進一步表征醫(yī)用192Ir輻射源的有效能量,故進行了醫(yī)用192Ir輻射源γ射線半值層(HVL)的測量及其有效能量的評估。

由于192Ir輻射源γ射線并不是單一能量,而是多個獨立的能量,相同半值層(HVL)可能對應(yīng)不同的能譜成分。半值層(HVL)是使射線束在某一點的劑量率減少一半時所需要的某種材料(鋁、銅或鉛)的厚度。

在半值層測量時,參考ISO 4037-1[19,20]中過濾X射線半值層的測量方法,將銅吸收片置于距離輻射源50 cm的位置處,測量用的電離室置于距離輻射源1 m的位置進行測量。測量時儀器擺放位置如圖10,測量結(jié)果如圖11。

圖10 半值層測量示意圖

圖11 半值層測量數(shù)據(jù)線性擬合曲線

通過在NIST官網(wǎng)查詢銅材料對于不同單能能量的質(zhì)量衰減系數(shù)μ/ρ,通過插值的方法得出所測量半值層對應(yīng)的有效能量。最終得出所用192Ir輻射源半值層及有效能量如表8所示。

表8 半值層及有效能量

6 結(jié) 論

設(shè)計搭建了用于高劑量率192Ir近距離放射治療源參考空氣比釋動能率絕對測量的參考輻射場。其中,設(shè)計了專用的輻照器,定制了多軸定位導(dǎo)軌。并確定了輻照器內(nèi)源的最佳位置,對輻射場的散射、輻射野、能譜、半值層等相關(guān)參數(shù)進行了測量或模擬。最終確定,輻照器內(nèi)源的最佳位置為1 026 mm,參考輻射場的散射份額低于主射束的0.003%,輻射野的直徑為98 mm,HPGe探測器測量的能譜與蒙特卡羅模擬譜契合度較高,半值層測量結(jié)果為8.244 mm(Cu)。各項參數(shù)均滿足了192Ir放射源參考空氣比釋動能率量值復(fù)現(xiàn)的要求,為其絕對測量與國際比對打下基礎(chǔ)。