醫(yī)用電子束水吸收劑量測量及其不確定度討論

王志鵬, 王 坤, 金孫均, 楊小元, 齊雅平, 黃 驥, 劉福斌

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

水吸收劑量作為放療劑量的處方劑量,是臨床參考劑量測量的關(guān)鍵物理量,同時也是電離輻射計量領(lǐng)域中參與國際關(guān)鍵比對的量值之一。作為國家最高計量科學(xué)研究中心和國家級法定計量機(jī)構(gòu)的中國計量科學(xué)研究院(NIM)分別于2016年和2021年參與了國際計量局(BIPM)組織的加速器光子束水吸收劑量(BIPM.RI(I)-K6)和60Co水吸收劑量(BIPM.RI(I)-K4)的關(guān)鍵比對工作,結(jié)果均取得國際等效互認(rèn)并在BIPM關(guān)鍵比對數(shù)據(jù)庫中發(fā)布[1]。

水量熱計作為水吸收劑量直接測量且不確定度最小的關(guān)鍵計量設(shè)備,主要適用于基標(biāo)準(zhǔn)開發(fā),實(shí)現(xiàn)對次級以及工作級劑量計的校準(zhǔn)。NIM于2013年與加拿大國家研究院(National Research Council of Canada,NRC)合作研究用于輻射劑量測量的水量熱計,并于2017年自主設(shè)計并研制了首套熱敏探針、量熱芯容器、準(zhǔn)絕熱水模體和交流電橋系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了水量熱計關(guān)鍵技術(shù)的自主化。隨后研制的二代水量熱計提升了輻射溫升測量的靈敏度,擴(kuò)展了適用的射線能量和種類,其中水量熱計加速器光子水吸收劑量測量裝置于2021年獲批為國家計量基準(zhǔn)[2,3]。

在光子束方面,目前NIM已經(jīng)完成了60Co至25 MV水吸收劑量的直接測量,測量不確定度優(yōu)于0.30%(k=1);在電子束方面,實(shí)現(xiàn)了8～22 MeV放療電子束的直接測量[4],測量不確定度優(yōu)于0.35%(k=1),8 MeV以下模擬計算出相對于射線質(zhì)R50為7.5 g/cm2的能量轉(zhuǎn)換因子,實(shí)現(xiàn)溯源至電子束水吸收劑量校準(zhǔn)因子的較小不確定度測量;在質(zhì)子和重離子方面,研制了相應(yīng)的水量熱計,分別在河北一洲腫瘤醫(yī)院和中國原子能院開展筆形掃描束和散射束質(zhì)子束的輻射溫升實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了水量熱法測量的可行性并與電離室測量結(jié)果進(jìn)行比較,一致性好于1.5%。

為了更好地服務(wù)于醫(yī)用電子束放療劑量測量,滿足國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)對外照射放療設(shè)備輸出劑量測量不確定度好于2%的技術(shù)要求[5,6],本文分析了劑量計使用校準(zhǔn)因子(照射量、空氣比釋動能和水吸收劑量)測量水吸收劑量的注意事項和不確定度比較。

在國內(nèi)除NIM研制了水量熱計,僅有少數(shù)計量機(jī)構(gòu)或單位開展了水吸收劑量的直接測量,其中中國測試技術(shù)研究院的水量熱計主要用于開展60Co水吸收劑量測量以及相應(yīng)的量值傳遞工作,NIM協(xié)助中國原子能科學(xué)研究院研制的質(zhì)子束水量熱計主要用于質(zhì)子束研究。僅有NIM開展水量熱法直接測量醫(yī)用電子束水吸收劑量,目前已具備直接測量能力,并針對有需要客戶開展校準(zhǔn)工作。

本文結(jié)合NIM水量熱計在電子束水吸收劑量測量研究的最新成果,給出用戶需求的特定能量的電子束水吸收劑量校準(zhǔn)因子;或參考IAEA TRS-398[7]給出射線質(zhì)R50為7.5 g/cm2的水吸收劑量校準(zhǔn)因子,并結(jié)合電離室型號給出相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換因子。通過比較劑量計使用不同校準(zhǔn)因子測量電子束水吸收劑量的不確定度和操作難以程度,給出使用建議和注意事項。

2 電子束水吸收劑量測量方法

電子束水吸收劑量測量均指采用劑量儀(又稱治療水平劑量儀),根據(jù)探測器讀數(shù)MQ、校準(zhǔn)系數(shù)cD和校準(zhǔn)因子至水吸收劑量的修正(又稱轉(zhuǎn)換)因子fw,D,由式(1)計算水吸收劑量Dw,Q

Dw,Q=MQ·cD·fw,D

(1)

式中MQ表示劑量計在待測電子束中修正后的讀數(shù),對于典型的電離室劑量計主要包括極化效應(yīng)Ppol、離子復(fù)合效應(yīng)Ps、靜電計修正Pelec(國內(nèi)通常靜電計與電離室一起校準(zhǔn),該項修正值為1.000)、測量深度處橫向劑量分布不均勻修正Pdd、和空氣密度修正PTP,由式(2)計算電離室劑量計修正后讀數(shù)

MQ=Mraw·Ppol·Ps·Pelec·Pdd·PTP

(2)

而校準(zhǔn)系數(shù)cD主要根據(jù)當(dāng)前的計量水平,在電離室的校準(zhǔn)系數(shù)中主要包括照射量校準(zhǔn)系數(shù)NX、空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)NK和水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)ND。水吸收劑量轉(zhuǎn)換因子fw,D,對相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)系數(shù)到用戶水吸收劑量測量系數(shù)的轉(zhuǎn)變。

2.1 基于照射量校準(zhǔn)系數(shù)的測量

基于劑量計的照射量校準(zhǔn)系數(shù)測量電子束水吸收劑量是國內(nèi)現(xiàn)行JJG 589—2008《醫(yī)用電子加速器輻射源檢定規(guī)程》的指導(dǎo)方法[8],也是IAEA在上世紀(jì)九十年代發(fā)布的外照射光子束和電子束水吸收劑量測量推薦方案(TRS-277)[9],然而這些測量規(guī)程的編制受到輻射劑量初級實(shí)驗(yàn)室測量能力的限制。

根據(jù)JJG 589—2008知,采用已知照射量校準(zhǔn)系數(shù)的劑量計,電子束水吸收劑量由式(3)計算

Dw,Q=MQ·NX·(W/e)·Katt·Km·Sw,air·Pu·Pcel

(3)

式中:(W/e)為空氣中電離一對離子所需的平均能量,W/e=33.97 eV,根據(jù)ICRU (the international commission on radiation units and measurements) 于2016發(fā)布的90號報告[10]指出該值的不確定度應(yīng)由0.15%增大至0.35%;Katt修正電離室壁(包含平衡帽)在校準(zhǔn)時相對于60Co γ射線的衰減(吸收和散射);Km修正電離室壁及平衡帽在校準(zhǔn)射束中的非空氣等效;Sw,air為測量深度處水對空氣的平均組織本領(lǐng)比;Pu修正電離室壁對輻射場的擾動;Pcel修正中心極的空氣非等效性。

2.2 基于空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)的測量

與照射量校準(zhǔn)系數(shù)一樣,空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)也是國內(nèi)現(xiàn)行JJG 589—2008的指導(dǎo)方法,電子束水吸收劑量由式(4)計算

Dw,Q=MQ·NK·(1-g)·Katt·Km·Sw,air·Pu·Pcel

(4)

式中g(shù)為次級電子消耗于韌致輻射的能量占初始能量的份額,目前取g=0.003。

根據(jù)ICRU對輻射物理量的定義知,空氣比釋動能表征的是非帶電粒子(X射線、γ射線及中子)在任意單位質(zhì)量的介質(zhì)中電離釋放的全部帶電粒子初始動能之和。較僅適用于X和γ射線對空氣電離能力的照射量而言,空氣比釋動能既擴(kuò)展了輻射類型也擴(kuò)展了適用的介質(zhì)種類;然而并不適用于帶有一個負(fù)電荷的電子束,也不能真正表征電子束被水所吸收的能量。當(dāng)前采用電離室劑量計的空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)或照射量校準(zhǔn)系數(shù),測量醫(yī)用電子束的水吸收劑量僅僅是數(shù)值相當(dāng),輻射計量標(biāo)準(zhǔn)落后的妥協(xié)方案,根據(jù)IAEA TRS-277號劑量測量規(guī)程其不確定度高達(dá)3.7%,已很難滿足當(dāng)前精準(zhǔn)放療劑量測量需求。

2.3 基于水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量

隨著放射劑量學(xué)的發(fā)展,ICRU于1954年定義了吸收劑量以表征任意可產(chǎn)生電離的輻射(X射線、γ射線、中子、電子、質(zhì)子和重離子等),在任何單位質(zhì)量的介質(zhì)中所沉積(或被單位質(zhì)量的介質(zhì)所吸收)的能量[11]。在放療治療領(lǐng)域,由于人體約90%是水,水吸收劑量也逐漸成為放療的處方劑量,是電子束放療質(zhì)控的關(guān)鍵物理量。然而,常規(guī)的單次放療劑量約2 Gy,對應(yīng)的可用于直接表征水吸收劑量的輻射溫升僅為0.5 mK,通過測量輻射溫升直接測定水吸收劑量成為世界級測量難題。幸運(yùn)的是隨著熱敏電阻的更新?lián)Q代,和熱損、熱對流和熱傳導(dǎo)等物理過程的深入探討,國際上少數(shù)發(fā)達(dá)國家的初級標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室于2000年前后建立了基于量熱法的60Co水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn)。

IAEA TRS-398號劑量測量規(guī)程正式采用,并推廣和鼓勵更多國家建立水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn),通過傳遞電離室劑量計的水吸劑量校準(zhǔn)系數(shù),將放療用電子束水吸收劑量的測量不確定度由3.7%,降低至1.6%(圓柱形電離室劑量計)和2.1%(平板形電離室劑量計)。

如引言所述,我國結(jié)合自身發(fā)展需求,建立了水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn),并參考IAEA TRS-398號報告于2019發(fā)布并實(shí)施了JJF 1743—2019《放射治療用電離室劑量計水吸收劑量校準(zhǔn)規(guī)范》[12]。目前針對醫(yī)用電子束,NIM可以提供3種水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的校準(zhǔn)服務(wù)。

2.3.1 基于60Co γ射線的水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量

用在60Co γ射線的水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的電離室劑量計,在用戶電子束輻射場中測量其水吸收劑量,由式(5)計算其水吸收劑量值

Dw,Q=MQ·ND,w,60Co·kQ,60Co

(5)

式中:ND,w,60Co為電離室劑量計在60Co水吸收劑量參考輻射中測量的校準(zhǔn)系數(shù);kQ,60Co修正水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)從60Co參考輻射場轉(zhuǎn)換為用戶射線質(zhì)Q,60Co通?？梢允÷?即式(5)可簡寫為Dw,Q=MQ·ND,w·kQ。

與式(3)和式(4)比較,水吸收劑量的影響量明顯減少,用戶使用時僅需要參考文獻(xiàn)或廠家提供的絕對劑量測量說明書查找待測射線質(zhì)Q(電子束用R50值表示射線質(zhì))對應(yīng)的kQ值即可。

2.3.2 基于特定電子束(R50=7.5 g/cm2)水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量

與60Co γ射線的水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)類似的,NIM已完成了電子束水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn)的研究,可以直接在NIM的電子直線加速參考輻射場校準(zhǔn)電離室劑量計,并給出R50=7.5 g/cm2的吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)ND,w,7.5,此時待測射線質(zhì)為Q的電子束水吸收劑量由式(6)計算

Dw,Q=MQ·ND,w,7.5·kQ,7.5

(6)

類似的kQ,7.5修正校準(zhǔn)系數(shù)ND,w,7.5至待測射線質(zhì)Q,其值可以在IAEA TRS-398,美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(AAPM)TG-51號報告[13]以及諸多文獻(xiàn)查找[4,14～18]。與式(5)的主要區(qū)別是實(shí)現(xiàn)了同質(zhì)溯源,在確保水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)不確定度基本一致的條件下,顯著降低射線質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)的不確定度,以進(jìn)一步提高測量精度。同時kQ,7.5值較電子束的kQ值更接近1(輻射類型相同,修正值更小)。典型的對于PTW Roos型平板電離室劑量計在能量為15～22 MeV的電子束中其值kQ,7.5值為1.014～0.995,其kQ值為0.913～0.896。即使用戶測試時由于疏忽漏用了能量轉(zhuǎn)換因子,采用同質(zhì)溯源的ND,w,7.5比溯源至60Co水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的ND,w產(chǎn)生的劑量誤差也小得多。

2.3.3 基于待測電子束水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量

幾乎不可能在待測電子束中直接校準(zhǔn)用戶電離室劑量計,幸運(yùn)的是NIM具備4、6、8、10、12、15、18、20和22 MeV共9檔電子束,射線質(zhì)R50為1.60～8.97 cm,基本可以覆蓋大部分放療電子束的校準(zhǔn)需求。盡管相同標(biāo)稱能量的NIM電子束與用戶待測電子束能譜可能存在差異,根據(jù)Burns研究知[19],測量深度zref取為(0.6R50～0.1)時可忽略能譜差異對水吸收劑量的影響。因此用戶可以結(jié)合待測電子束的R50值提出校準(zhǔn)需要。NIM選擇R50值最接近的電子束對其進(jìn)行校準(zhǔn),并結(jié)合較小的射線質(zhì)差異,直接給出待測電子束水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)ND,w,Q,此時水吸收劑量由式(7)給出

Dw,Q=MQ·ND,w,Q

(7)

顯然式(7)較式(3)、式(4)、式(5)和式(6)的影響量最少,用戶只需要關(guān)注MQ的測量,既可以節(jié)省臨床測量時間,又可以提高測量精度。該方法適用于只有3檔及以內(nèi)的電子束用戶。

3 實(shí)驗(yàn)及注意事項

臨床電子束水吸收劑量測量推薦的方法是在水中測量,因此無論用戶采用哪種水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)均需要在水或水等效材料中測量。

通常校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在給用戶電離室劑量計校準(zhǔn)系數(shù)時,均按照電離室標(biāo)稱的靈敏體積中心點(diǎn)進(jìn)行量值傳遞。對于圓柱形電離室,電離室在空氣中依據(jù)照射量和空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)測量照射量和空氣比釋動能值時,其靈敏體積大小不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。然而,如果在水或水等效材料中測量時,電離室會依據(jù)其靈敏體積半徑產(chǎn)生有效測量點(diǎn)前移效應(yīng),盡管文獻(xiàn)中給出了0.5rcav(rcav為電離室靈敏體積半徑)的推薦值,實(shí)際上部分研究表明該值還與電離室型號、中心極材料、尺寸以及壁材料等有關(guān)[20,21]。因此,基于照射量和空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)的測量水吸收劑量還需要考慮有效測量點(diǎn)變化的影響。

對于采用水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量,由于電離室在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和用戶測量所用水或水等效材料中有效測量點(diǎn)位置并未發(fā)生變化,因此無論電離室有效測量點(diǎn)是否前移以及前移量是多少均可忽略其影響。用戶僅在測量百分深度劑量曲線時關(guān)注有效測量點(diǎn)變化,也可以采用平板形或小體積電離室以最小化有效測量點(diǎn)變化對結(jié)果的影響。

因此,基于照射量和空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)的電子束水吸收劑量測量需要考慮圓柱形電離室有效測量點(diǎn)前移的影響,通常在定位中直接前移0.5rcav。參考JJG 589—2008或IAEA TRS-398,基于照射量、空氣比釋動能或水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量條件總結(jié)為表1所示。

表1 醫(yī)用電子束水吸收劑量測量條件

如表1所示基于水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量較照射量和空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)的測量主要有3點(diǎn)優(yōu)化:1) 電子束射線質(zhì)表示方法,R50值不僅直接反映了電子束在水模體中的穿透性,還可以由此計算出平均能量或測量深度;2) 測量深度選取,依據(jù)R50值計算的測量深度可以最小化電子能譜差異的影響,更科學(xué);3) 不用考慮有效測量點(diǎn)效應(yīng)影響,使用更方便,測量結(jié)果更精確。

基于水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的測量,對于電離室、測量模體以及輻射野的選擇與照射量和空氣比釋動能基本一致,并沒有本質(zhì)區(qū)別,用戶結(jié)合自己的實(shí)際選擇合適方案即可。

然而,NIM對常用的3種型號平板形電離室水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的長期穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn),無論給平板形電離室哪種水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù),其半年的變化均超過0.5%,有些高達(dá)2%;而圓柱型號電離室的校準(zhǔn)系數(shù)的相對變化量均在0.3%以內(nèi)。幸運(yùn)的是,比較發(fā)現(xiàn)平板形電離室的能量轉(zhuǎn)換因子的相對變化量均在0.2%以內(nèi)。實(shí)際上用戶或校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室只需要在一個容易測量的電子束參考場中對電離室進(jìn)行校準(zhǔn),再結(jié)合能量轉(zhuǎn)換因子,即可覆蓋多個能量電子束水吸收劑量測量的需求。

因此用戶在選擇平板型電離室還應(yīng)考慮配備一支圓柱形電離室作為補(bǔ)充,以修正平板形電離室校準(zhǔn)系數(shù)變化。

4 討論及不確定度分析

如表2所示給出了平板形電離室測量醫(yī)用電子束水吸收劑量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。不同的校準(zhǔn)系數(shù)影響的僅在B類不確定度方面有所體現(xiàn),用戶實(shí)際需要測量的影響量主要是劑量計讀數(shù)、離子復(fù)合效應(yīng)和空氣密度修正。采用水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是用戶不用或者少量查找B類修正項,尤其是直接選擇在加速器電子束輻射場校準(zhǔn),可以指定常用劑量率由校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室給出離子復(fù)合效應(yīng)的參考值,不僅使得測量值的不確定度更小,還可以減少或消除離子復(fù)合效應(yīng)的影響。

表2 平板形電離室測量醫(yī)用電子束水吸收劑量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于圓柱形電離室在長期穩(wěn)定性、定位安裝和校準(zhǔn)系數(shù)方面的不確定度略小于平板形電離室,而對于R50≥4 g/cm2(電子束標(biāo)稱能量≥10 MeV)采用圓柱形電離室測量時,其標(biāo)準(zhǔn)不確定度略優(yōu)于平板形電離室。

由于水量熱法很難直接給出能量低于8 MeV電子束的水吸收劑量,且電子束能量越小,其定位深度越淺,劑量梯度越大,測量難度越大,不確定度越大,因此很難直接給出高精度的水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)。結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果,推薦用戶采用ND,w,7.5校準(zhǔn)系數(shù)和能量轉(zhuǎn)換因子修正的測量方案。

根據(jù)NIM現(xiàn)有測量結(jié)果表明:平板形電離室的校準(zhǔn)系數(shù)受到相對濕度影響更大,且校準(zhǔn)系數(shù)的長期穩(wěn)定性略差,該結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果一致[22]。建議用戶使用平板電離室時,需要關(guān)注其校準(zhǔn)系數(shù)的長期穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

NIM現(xiàn)已經(jīng)建立電子束水吸收劑量校準(zhǔn)參考輻射場,并根據(jù)用戶需求制定了3種水吸收劑量校準(zhǔn)方案供用戶選擇,結(jié)合前期校準(zhǔn)和用戶使用情況總結(jié)為以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 醫(yī)用電子束水吸收劑量測量所用劑量計需要配置兩支電離室,即一支平板形和一支圓柱形電離室。平板形探測器可以用于深度劑量分布測量,給出射線質(zhì)R50值,也可以用于所有電子束絕對劑量測量。圓柱形電離室用于R50≥4 g/cm2電子束的絕對測量,并在任意可用圓柱形電離室的電子束對平板電離室進(jìn)行交叉校準(zhǔn),校準(zhǔn)周期建議為半年。在夏季或空氣濕度較大時,需用圓柱形電離室對平板形電離室測量結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

(2) 圓柱形電離室測量電子束水吸收劑量時,采用照射量和空氣比釋動能校準(zhǔn)系數(shù)需要考慮有效測量點(diǎn)前移;采用水吸收劑量校準(zhǔn)系數(shù)無需再考慮有效測量點(diǎn)前移效應(yīng)。

(3) NIM已經(jīng)開始提供較為人性化水吸劑量校準(zhǔn)需求,用戶可以結(jié)合射線質(zhì)、極化電壓和劑量率等參數(shù)與NIM溝通。NIM給出最合適校準(zhǔn)方案,可以提供特定劑量率下的離子復(fù)合修正值,還可以結(jié)合校準(zhǔn)證書提供使用指導(dǎo)。