王 坤 金孫均 萇 雪 楊小元 張 健

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

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醫(yī)用加速器水吸收劑量測(cè)量研究及國(guó)際比對(duì)*

王 坤 金孫均 萇 雪 楊小元 張 健

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

介紹了量熱法測(cè)量水吸收劑量的方法，著重論述了石墨量熱計(jì)和水量熱計(jì)的絕對(duì)測(cè)量過(guò)程和核心裝置，討論了主要發(fā)達(dá)國(guó)家的量熱計(jì)裝置和當(dāng)前的不確定度水平。給出了各國(guó)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的醫(yī)用加速器輻射質(zhì)參數(shù)，申報(bào)國(guó)際計(jì)量局校準(zhǔn)測(cè)量能力情況，以及加速器水吸收劑量國(guó)際比對(duì)進(jìn)展和最新結(jié)果。

醫(yī)用加速器；水吸收劑量；絕對(duì)測(cè)量；國(guó)際比對(duì)

0 引言

水吸收劑量定義為單位質(zhì)量的水所吸收的電離輻射的能量，是電離輻射計(jì)量領(lǐng)域最重要的物理量之一，也是國(guó)際計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)協(xié)議的關(guān)鍵比對(duì)項(xiàng)目。醫(yī)用加速器是放射治療的主要設(shè)備，放療劑量的準(zhǔn)確是患者治療效果和生命安全的基本保障，加速器水吸收劑量量值的準(zhǔn)確和一致是這一保障的計(jì)量基礎(chǔ)。2010年，國(guó)際計(jì)量局發(fā)布了首次加速器高能光子水吸收劑量關(guān)鍵比對(duì)報(bào)告[1]，截止2014年底，加拿大、德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)完成了加速器吸收劑量比對(duì)[2]。

當(dāng)前計(jì)量實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)水吸收劑量主要采用量熱方法，單次放射治療的劑量一般為2Gy，如果水吸收了這些能量，導(dǎo)致的溫升約為0.5mK。為滿足臨床量值溯源的需求，要求量熱計(jì)測(cè)量吸收劑量的不確定度小于0.5%，這就要求其測(cè)量溫度的不確定度能力達(dá)到2.5μK的水平[3]。石墨與水的輻射性能相近，其比熱容比水約小6倍，即便如此，也需要μK量級(jí)的溫度分辨水平，這在室溫條件下很有挑戰(zhàn)，需要搭建非常精密的測(cè)量系統(tǒng)。

盡管電離輻射量熱計(jì)的實(shí)現(xiàn)十分困難，但是由于放射治療領(lǐng)域應(yīng)用的需求及其在電離輻射計(jì)量領(lǐng)域的重要地位，上世紀(jì)六七十年代已有初步的嘗試，現(xiàn)在，可以參考的相關(guān)文獻(xiàn)有來(lái)自加拿大國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)[4]、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)[5]、澳大利亞輻射防護(hù)與核安全局(ARPANSA)[6]、法國(guó)貝克勒爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LNHB)[7]和瑞士計(jì)量院(METAS)[8]的研究報(bào)告，各國(guó)計(jì)量機(jī)構(gòu)采用不同的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)量熱計(jì)的測(cè)量；以及Seuntjens[9]和McEwen[10]的綜述文章。

本文旨在介紹醫(yī)用加速器高能光子劑量測(cè)量中石墨量熱計(jì)和水量熱計(jì)的最新進(jìn)展，以及目前加速器水吸收劑量國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)情況。

1 吸收劑量量值復(fù)現(xiàn)

1.1 石墨量熱計(jì)

以石墨量熱計(jì)作為Co-60和MV光子基準(zhǔn)的國(guó)際計(jì)量機(jī)構(gòu)主要有NPL(英國(guó))、LNHB(法國(guó))、ARPANSA(澳大利亞)等，我國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[11]。

NPL量熱芯為直徑20mm、厚度2.8mm的圓盤(pán)[12]。量熱芯由石墨殼包裹，以減小熱量的傳輸，幾層石墨包裹后最終固定在石墨模體中。為降低熱傳遞，所有的空隙保持真空狀態(tài)。非真空條件下，量熱芯與其周?chē)h(huán)境熱交換的時(shí)間常數(shù)為30s，當(dāng)氣壓降至10-4Pa時(shí)，該時(shí)間常數(shù)約為900s。溫控組件包括熱敏電阻和加熱電阻，后者用于保證溫度控制，并實(shí)現(xiàn)電校準(zhǔn)，即測(cè)定量熱芯的有效比熱容。該石墨量熱計(jì)的最小測(cè)量深度為0.93g/cm2，這意味其可以測(cè)量Co-60至20MV光子，以及6MeV以上電子束的吸收劑量。在劑量率為1Gy/min，測(cè)量1Gy累積劑量的不確定度，對(duì)應(yīng)于石墨和水吸收劑量分別為0.30%和0.46%。

LNHB研制的石墨量熱計(jì)與Domen型有所不同[13]。Domen型一般有一個(gè)小的石墨芯被幾層石墨包裹，并固定在石墨模體中。不同組件間的真空隙起到熱絕緣作用，加熱熱敏電阻測(cè)量比熱容。LNHB量熱計(jì)主要區(qū)別是石墨包殼都是對(duì)稱的，并在石墨中使用了大量的熱敏電阻，而且采用了恒溫模式進(jìn)行溫控操作。

圖1 法國(guó)LNHB石墨量熱計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為L(zhǎng)NHB石墨量熱計(jì)結(jié)構(gòu)圖，其每層石墨包殼都由兩部分組成，通常是一個(gè)基體和一個(gè)蓋子?；w和蓋子之間的界面成為熱流動(dòng)的屏障，使得基體和蓋子的溫度顯著不同，并與包殼的電加熱功率成正比。包殼平均了內(nèi)表面的溫度，這決定了向量熱芯的熱傳遞速率。該設(shè)計(jì)通過(guò)多個(gè)熱敏電阻，解決了熱損修正的問(wèn)題。但是熱敏電阻的擾動(dòng)效應(yīng)及其導(dǎo)線帶來(lái)的潛在熱傳輸需要額外考慮。

這種芯-殼結(jié)構(gòu)的另一特點(diǎn)是改進(jìn)了熱絕緣，時(shí)間常數(shù)是NPL量熱計(jì)的2倍左右。恒溫模式中時(shí)間常數(shù)的增大，意味著可以測(cè)量更長(zhǎng)的時(shí)間，從而降低A類不確定度。其模塊化的特性也使得可以用來(lái)測(cè)量更大范圍的輻射束，如放射治療所用的較低能量的電子束(Domen型不可以)。其測(cè)量石墨和水吸收劑量的不確定度分別為0.24%和0.35%。

1.2 水量熱計(jì)

水量熱計(jì)(如圖2所示)通常采用水平束入射，即射線水平入射量熱計(jì)模體，邊長(zhǎng)為30cm的有機(jī)玻璃模體中充滿去水離子，其外壁由5cm厚的隔熱聚苯乙烯泡沫包裹。模體底部置有磁性攪拌器，用于均勻水溫。模體上蓋為鉑電阻溫度計(jì)、量熱芯導(dǎo)線等預(yù)留若干孔洞。模體的射線入射處，開(kāi)有邊長(zhǎng)12cm、厚3mm的窗口，該窗口亦由一個(gè)可移動(dòng)的5cm厚的聚苯乙烯泡沫做隔熱處理。整個(gè)量熱計(jì)模體置于一個(gè)邊長(zhǎng)85cm的木箱子中，箱中通過(guò)風(fēng)扇、熱交換器、半導(dǎo)體制冷器控溫。為加速溫度的控制，水模體中也有熱交換器，通過(guò)流動(dòng)的制冷劑控制模體的水溫。量熱計(jì)可實(shí)現(xiàn)1℃至25℃之間任意溫度的控制，從室溫20℃降至4℃通常需要4個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間。模體和木箱之間空氣的溫度通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)過(guò)的鉑電阻監(jiān)測(cè)，確?？諝庋h(huán)和溫度的控制。

圖2 水量熱計(jì)基本結(jié)構(gòu)圖

水量熱計(jì)在射線場(chǎng)中運(yùn)行后的原始數(shù)據(jù)為測(cè)量得到的電橋電壓隨時(shí)間變化的函數(shù)。電橋電壓的變化可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崦綦娮枳柚档淖兓?，如果?jīng)校準(zhǔn)獲得了電阻的靈敏度參數(shù)，就可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為溫度的變化。水量熱法測(cè)量水吸收劑量的不確定度在0.20%至0.35%之間[14]。

2 加速器高能光子水吸收劑量測(cè)量

2.1 醫(yī)用電子直線加速器

醫(yī)用電子直線加速器是臨床放射治療設(shè)備，最早開(kāi)始直接在醫(yī)用加速器上進(jìn)行吸收劑量量值復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的是美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，目的是為進(jìn)一步降低臨床放療吸收劑量量值的不確定度，經(jīng)過(guò)測(cè)量技術(shù)多年的發(fā)展，目前已有10個(gè)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室配備了醫(yī)用加速器，用于計(jì)量學(xué)研究。

作為計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的參考輻射裝置，為了滿足吸收劑量量值復(fù)現(xiàn)的要求，需詳細(xì)表征參考輻射的劑量學(xué)性能，如輻射野的均整度、劑量輸出的重復(fù)性和穩(wěn)定性等。表1所列為主要發(fā)達(dá)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的加速器輻射質(zhì)參數(shù)[15]，可以看出德國(guó)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室給出的組織模體比為4位有效位數(shù)，這也在一定程度上反映了其加速器輻射場(chǎng)的測(cè)量能力。

2009年開(kāi)始，國(guó)際計(jì)量局開(kāi)始進(jìn)行加速器光子吸收劑量比對(duì)，并在國(guó)際計(jì)量大會(huì)上提出購(gòu)置醫(yī)用加速器的計(jì)劃，加快了各國(guó)進(jìn)行該項(xiàng)研究的進(jìn)程。

表1 主要發(fā)達(dá)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的醫(yī)用電子直線加速器組織模體比

到2020年，待完成一輪關(guān)鍵比對(duì)后，基于醫(yī)用加速器的吸收劑量量值溯源，將在一定程度上代替目前各國(guó)普遍開(kāi)展的Co-60吸收劑量的校準(zhǔn)服務(wù)。

2.2 該量值校準(zhǔn)測(cè)量能力(CMC)

加拿大、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、瑞士、英國(guó)和美國(guó)共7個(gè)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室申報(bào)了該項(xiàng)量值的國(guó)際校準(zhǔn)測(cè)量能力，并公布在CMC數(shù)據(jù)庫(kù)中[16]。其中加拿大、德國(guó)、瑞士、美國(guó)采用水量熱方法，另外幾個(gè)國(guó)家采用石墨量熱方法。隨著國(guó)際比對(duì)的進(jìn)行，參加比對(duì)后的實(shí)驗(yàn)室也將申請(qǐng)相應(yīng)的CMC項(xiàng)目。在實(shí)際計(jì)量服務(wù)中，上述幾個(gè)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室也向本國(guó)放射治療中心提供了該量值的校準(zhǔn)和測(cè)量服務(wù)。

3 國(guó)際比對(duì)

3.1 國(guó)際計(jì)量局比對(duì)計(jì)劃

根據(jù)CCRI的決議，國(guó)際計(jì)量局正在進(jìn)行高能光子水吸收劑量比對(duì)(BIPM.RI(I)-K6)，該比對(duì)采取直接比對(duì)方案，即國(guó)際計(jì)量局?jǐn)y帶石墨量熱計(jì)至各參比實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)現(xiàn)光子水吸收劑量，與參比實(shí)驗(yàn)室值進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)參考值即為國(guó)際計(jì)量局的復(fù)現(xiàn)值。這樣，通過(guò)國(guó)際計(jì)量局的參考值，各國(guó)所復(fù)現(xiàn)的高能光子水吸收劑量可以實(shí)現(xiàn)等效和互認(rèn)。

3.2 比對(duì)進(jìn)展和比對(duì)結(jié)果

由于該項(xiàng)比對(duì)需要在各國(guó)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，并且實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作復(fù)雜耗時(shí)，每年只能安排1到2個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參加比對(duì)，目前比對(duì)計(jì)劃已排至2019年。加拿大NRC是首個(gè)參比實(shí)驗(yàn)室，截止到2014年12月，已有7個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加比對(duì)，其中5份比對(duì)報(bào)告已發(fā)表，三個(gè)比對(duì)光子能量為6MV、10MV和25MV，如圖3所示，各實(shí)驗(yàn)室與比對(duì)參考值的差異均在0.6%以內(nèi)[17]。

圖3 截止至2014年底加速器水吸收劑量比對(duì)等效圖

4 結(jié)論

主要發(fā)達(dá)國(guó)家已逐漸實(shí)現(xiàn)了加速器高能光子吸收劑量的量值復(fù)現(xiàn)和量值傳遞，部分國(guó)家已申報(bào)了CMC能力，待國(guó)際計(jì)量局完成K6比對(duì)，各國(guó)測(cè)量能力得到互認(rèn)，量傳方法得到驗(yàn)證后，世界范圍內(nèi)將普遍進(jìn)行放療領(lǐng)域的高能光子水吸收劑量校準(zhǔn)。

我國(guó)已具備Co-60水吸收劑量的量值復(fù)現(xiàn)和量值傳遞能力，正在進(jìn)行加速器高能光子水吸收劑量基準(zhǔn)裝置的研究，并計(jì)劃于2016年參加國(guó)際比對(duì)，進(jìn)而申報(bào)CMC，并建立我國(guó)高能光子水吸收劑量量值傳遞體系。

盡管即便擁有加速器高能光子水吸收劑量校準(zhǔn)能力的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，也同時(shí)保持和并行著Co-60γ射線水吸收劑量的校準(zhǔn)，但無(wú)疑高能光子的校準(zhǔn)服務(wù)更接近于放射治療的臨床情況，其潛在的可進(jìn)一步降低不確定度的可能，更接近現(xiàn)場(chǎng)的校準(zhǔn)測(cè)量條件，使得各國(guó)將持續(xù)進(jìn)行計(jì)量測(cè)量研究，以期取得更大的突破。

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