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.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京市計量檢測科學(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χ仉x子注入人體的深度及能量分布進(jìn)行精確調(diào)整，極大降低對病灶周邊正常組織的危害[1-2]。正因為這種特性，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臺大型重離子治療裝置。我國目前已建成了3臺重離子治療示范裝置[5]，并自主設(shè)計了相應(yīng)的治療計劃系統(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測量研究已廣泛開展，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較多的絕對測量實驗結(jié)果作為支撐，重離子束水吸收劑量的絕對測量研究則相對處于起步階段[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量的探測器裝置，J?kel等[15]用指型電離室驗證了重離子束治療計劃算法的準(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]利用絕對測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號報告中給出的建議值偏大1.1%、偏小0.4%。中國計量科學(xué)研究院已具備高能光子束水吸收劑量絕對測量能力，并于2016年完成了國際計量局(BIPM)的關(guān)鍵比對，相關(guān)測量能力與先進(jìn)國家取得了等效互認(rèn)[18]。中國計量科學(xué)研究院正計劃開展重離子束水吸收劑量的絕對測量研究，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量工作。

1 實驗

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)的碳離子束開展實驗工作，該能量的碳離子束在水中的射程約為271.4 mm。圖1為實驗設(shè)置示意圖，用于測量的水箱容積為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 實驗設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic layout for experimental setup

1.1 探測器設(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。以上電離室用于測量時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]以及各電離室在測量重離子束水吸收劑量時的有效測量點，指形電離室的有效測量點為定位前0.75rcyl(rcyl為電離室半徑)，平板電離室的有效測量點為其表面后1 mm[20]。實驗前，這4只電離室均進(jìn)行了60Co γ水吸收劑量的校準(zhǔn)，實驗過程中它們先后、交替地被安裝到位開展相關(guān)測量。從圖1可看出，測量電離室位于深度劑量曲線的平臺區(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等在平臺區(qū)開展了電離室的交叉校準(zhǔn)研究[16]、Osinga-Bl?ttermann等的絕對測量研究亦是在平臺區(qū)進(jìn)行[17]。在測量電離室側(cè)后方，安裝另外1只指形電離室(編號為TW30013-9086)用于同步監(jiān)測入射束的相對強(qiáng)度，以便對4只測量電離室的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一分析。實驗中，用數(shù)字化溫度氣壓計對水箱中的溫度及測量環(huán)境的氣壓進(jìn)行同步監(jiān)督，溫度計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)部充入氮氣進(jìn)行探測，有效探測面積為200 mm×200 mm，可完全覆蓋束流[21]。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

基于LabVIEW平臺開發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)用于本次實驗的數(shù)據(jù)獲取。該系統(tǒng)可同步收集兩臺靜電計的數(shù)據(jù)以及溫度氣壓并對所采集的電離電荷進(jìn)行空氣密度修正。本實驗的測量電離室以及監(jiān)督電離室的電離電荷信號均由KEITHLEY 6517B型高精度靜電計收集。測量時，設(shè)置每實驗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算。

1.3 修正項的測量與評價

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對應(yīng)于常規(guī)工作高壓下的讀數(shù)。

初始復(fù)合修正的評價則需測量若干個高壓條件V1、V2、…下對應(yīng)的結(jié)果M1、M2、…，其中M1為常規(guī)工作高壓V1對應(yīng)的讀數(shù)?？紤]以下計算過程：

(3)

(4)

利用碳離子束測量得出的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)，評價得出了實驗狀態(tài)下的碳離子束流的輸出穩(wěn)定性約為0.3%，示于圖2，為更直觀評價一系列數(shù)據(jù)，圖2給出了±0.5%的參考限。對測量電離室的結(jié)果進(jìn)行歸一，一方面可利用TW30013-9086監(jiān)督電離室的同步測量數(shù)據(jù)，另一方面亦可借助加速器監(jiān)督電離室所測量的MU值，這兩種方法對測量電離室歸一的對比示于圖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驗安裝在水箱中的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較劇烈時(圖2中由矩形框標(biāo)注的測量點)。

對圖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)行實驗數(shù)據(jù)的歸一相對較好。后續(xù)的工作中也會進(jìn)一步優(yōu)化采用電離室監(jiān)督測量的方案，如嘗試使用較大測量面積的電離室。

2.2 12C離子束的水吸收劑量

電離法測量重離子束的水吸收劑量Dw[7]按下式進(jìn)行計算：

(5)

表2 電離室測量重離子束水吸收劑量相關(guān)的計算參數(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量，對重離子束條件下相關(guān)電離室的修正項和不確定度開展了評價研究。分別參考IAEA398報告和絕對測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量結(jié)果，并結(jié)合實驗研究對電離室測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測量研究的難度較大，目前僅少數(shù)幾個發(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測量前，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測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行人員提供的支持和幫助。