閆學(xué)文，李 華，李德源，李 會(huì)，牛蒙青，喬 霈

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

輻射生物效應(yīng)取決于電離輻射在生物組織內(nèi)微觀尺度下沉積能量的分布以及由此而引起的復(fù)雜生物學(xué)過(guò)程，其本質(zhì)可以歸結(jié)為兩類最為基本的作用機(jī)制：(1)電離組織細(xì)胞的DNA分子或關(guān)鍵部件導(dǎo)致直接損壞組織細(xì)胞；(2)電離細(xì)胞中水分子產(chǎn)生的水自由基構(gòu)成的有毒物質(zhì)間接損壞組織細(xì)胞[1-3]。

由于宏觀劑量只能給出生物組織吸收劑量在宏觀大尺度的平均值，當(dāng)組織對(duì)特定電離輻射產(chǎn)生大小為D的吸收劑量時(shí)，組織中的不同細(xì)胞所受的輻射程度是不同的，基于宏觀大尺度統(tǒng)計(jì)平均值的吸收劑量無(wú)法體現(xiàn)這種微觀作用的隨機(jī)性。

因此，輻射對(duì)人體造成的生物效應(yīng)并不能通過(guò)宏觀吸收劑量來(lái)度量，故而在揭示輻射生物效應(yīng)的微觀本質(zhì)時(shí)宏觀劑量學(xué)量是不適用的?？紤]到細(xì)胞是人體最基本的組成單元，因此開(kāi)展細(xì)胞尺度的微劑量學(xué)研究[4-5]至關(guān)重要。

1 微劑量學(xué)研究對(duì)象

微劑量學(xué)研究的關(guān)鍵是不同電離輻射在微觀尺度上的能量沉積分布以及由此導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng)。X射線和γ射線具有很強(qiáng)的穿透性，因而其在穿過(guò)細(xì)胞時(shí)產(chǎn)生的電子不容易在細(xì)胞的某一部位(如細(xì)胞核)形成較大的能量沉積，大多數(shù)稀疏電離或激發(fā)事件僅能引起DNA分子的單鏈斷裂(SSB)。由于X射線和γ射線誘發(fā)DNA分子的SSB容易被修復(fù)，所以其導(dǎo)致的微觀生物學(xué)效應(yīng)較小。而質(zhì)子、α粒子以及中子間接產(chǎn)生的重帶電粒子一旦擊中細(xì)胞核，即可形成較大的電離離子群，其在細(xì)胞核的某一部位能量沉積相當(dāng)可觀，能夠產(chǎn)生不可修復(fù)的DNA損傷，由此類微觀輻射損傷產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不可忽視。因此，微劑量學(xué)研究的輻射類型主要是針對(duì)質(zhì)子、重離子和中子在內(nèi)的一些高傳能線密度(LET)粒子[6-9]。

2 微劑量測(cè)量手段

早在1946年D.E.Lea[10]指出電離輻射的能量沉積微觀分布在生物效應(yīng)研究中的重要性以來(lái)，世界上許多國(guó)家都相繼開(kāi)展了微劑量測(cè)量方面的研究。到目前為止，主要發(fā)展了兩種微劑量測(cè)量裝置。

(1)組織等效正比計(jì)數(shù)器(TEPC)：屬于氣體探測(cè)器，以厘米量級(jí)的靈敏體積模擬微米量級(jí)體積的微觀組織，發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量技術(shù)較為成熟。具有組織等效的優(yōu)勢(shì)，但存在著空間分辨率低、僅能通過(guò)壓縮氣體模擬單個(gè)細(xì)胞、壁效應(yīng)明顯、供氣裝置繁瑣和需高壓偏置等諸多缺點(diǎn)[11-13]，這就限制了其應(yīng)用范圍。

(2)SOI微劑量計(jì)：屬于半導(dǎo)體探測(cè)器，通過(guò)將硅半導(dǎo)體蝕刻成細(xì)胞大小的敏感單元來(lái)記錄輻射粒子在其中的能量轉(zhuǎn)移和沉積。雖不具備組織等效的特點(diǎn)，但具有空間分辨率高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)并且能從物理層面真實(shí)模擬細(xì)胞尺度的[4,14]的突出優(yōu)勢(shì)。

本文對(duì)TEPC在微劑量測(cè)量中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)要敘述，重點(diǎn)分析SOI微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)的發(fā)展及在微劑量測(cè)量方面的應(yīng)用以及存在的問(wèn)題。

3 TEPC測(cè)量技術(shù)

根據(jù)Fano定理[15-16]，初級(jí)輻射和次級(jí)輻射與物質(zhì)內(nèi)原子的作用不會(huì)受其密度影響。所以，用正比計(jì)數(shù)器測(cè)量線能的概率密度分布時(shí)，可以在非常大的電離室空腔內(nèi)填充密度極低的組織等效氣體(一般是甲烷或者丙烷)來(lái)模擬組織在其很小的微觀體積內(nèi)線能的分布。

早在20世紀(jì)50年代，Rossi和他的同事首先利用低密度組織等效氣體，放大模擬微觀小體積的原理設(shè)計(jì)了微劑量實(shí)驗(yàn)裝置，稱為Rossi型TEPC[17]。隨著微劑量學(xué)理論的發(fā)展及其在內(nèi)照射劑量測(cè)量中的應(yīng)用，相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備也在不斷完善。典型的TEPC結(jié)構(gòu)如圖1[18]所示。

圖1 典型的TEPC結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of TEPC

在內(nèi)照射微劑量實(shí)驗(yàn)研究中，人們比較關(guān)心沉積核素發(fā)射的帶電粒子在微尺度范圍內(nèi)能量沉積的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，必須盡可能避免因測(cè)量設(shè)備壁效應(yīng)引起的能譜畸變，因此出現(xiàn)了無(wú)壁TEPC[17]。無(wú)壁TEPC的特點(diǎn)是采用較少的固體壁材料或不用任何固體壁材料而采用場(chǎng)強(qiáng)來(lái)限定計(jì)數(shù)器的靈敏體積。國(guó)際上早在20世紀(jì)七、八十年代就已經(jīng)研制出了性能較好的無(wú)壁TEPC[19-20]，而國(guó)內(nèi)在80年代后期至今一直在對(duì)無(wú)壁TEPC做改進(jìn)工作，例如1984年北京放射醫(yī)學(xué)所鄭文忠團(tuán)隊(duì)[17]就研制成功了圓柱型無(wú)壁TEPC，分辨率高于美國(guó)遠(yuǎn)西公司生產(chǎn)的LET-SW1/2管。到了20世紀(jì)90年代末期，中科院近代物理研究所黨秉榮團(tuán)隊(duì)[21]為模擬荷能重離子在等效生物組織中徑跡和能量沉積分布，研究設(shè)計(jì)并制造了無(wú)壁正比計(jì)數(shù)器研究了系統(tǒng)電壓和TEPC分辨率的關(guān)系。再到后來(lái)，2020年海軍工程大學(xué)Zhu Min團(tuán)隊(duì)[22]研制了球形TEPC并實(shí)驗(yàn)獲得了Cf-252源的微劑量光譜。

為滿足高注量率輻射場(chǎng)測(cè)量要求，1997年歐洲核子中心的F.Sauli等[23]將氣體電子倍增技術(shù)(GEM)應(yīng)用于TEPC，解決了微型氣體探測(cè)器容易斷絲報(bào)廢的缺點(diǎn)，降低了微型TEPC的加工難度，并提高了計(jì)數(shù)率和抗輻照性等性能。之后荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[24-25]、美國(guó)格魯亞科技大學(xué)[26]根據(jù)GEM-TEPC原理相繼開(kāi)發(fā)了單室和多室結(jié)構(gòu)的TEPC，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，中國(guó)原子能科學(xué)研究院[27]也正在進(jìn)行相關(guān)工作的研究。

隨著微納工藝的進(jìn)步，2004年意大利帕多瓦大學(xué)Nardo等人[28]開(kāi)發(fā)的微型TEPC，僅有2.7 mm的外徑，具有更低的累積注量率。此外，由于整體尺寸只有幾mm，所以具有高空間分辨率。但這種mini-TEPC需連續(xù)供氣，以確保穩(wěn)定的氣體增益。正因?yàn)榉爆嵉妮o助氣體流動(dòng)設(shè)備以及mini-TEPC相關(guān)數(shù)據(jù)的處理需要耗費(fèi)大量的精力，阻礙了其廣泛應(yīng)用。2019年，Conte等人[29]對(duì)mini-TEPC進(jìn)行了改進(jìn)，新的TEPC具有約0.6 mm3的靈敏體積，最重要的是以密封方式運(yùn)行，不需要連續(xù)的氣流供給。經(jīng)測(cè)試，在靈敏體積內(nèi)充入丙烷氣體4個(gè)月后氣壓只減小3%，且測(cè)得的微劑量譜與4個(gè)月前測(cè)量得到的微劑量譜一致。因此，這種改進(jìn)的mini-TEPC為微劑量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供了一種解決方案。

但受限于測(cè)量方法，TEPC測(cè)量技術(shù)需要高壓以及繁瑣的供氣裝置，無(wú)論在哪方面改進(jìn)TEPC，均不會(huì)改變這一特性，因此在應(yīng)用上仍受到一定限制。

4 SOI微劑量測(cè)量技術(shù)

SOI微劑量計(jì)的概念是由澳大利亞伍倫貢大學(xué)醫(yī)學(xué)物理中心科研團(tuán)隊(duì)中的Bradley博士在1998年提出，并在該團(tuán)隊(duì)幾代研究人員的不懈努力下取得一系列重要成果。

該技術(shù)采用的探測(cè)單元為硅半導(dǎo)體，由于硅不是組織等效的，因此在這方面不如TEPC，但在其余很多方面優(yōu)勢(shì)明顯，比如分辨率高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)等。到目前為止，各國(guó)研究人員對(duì)SOI微劑量測(cè)量技術(shù)在物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中子、質(zhì)子及重離子微劑量測(cè)量以及組織等效轉(zhuǎn)換方面均開(kāi)展了一系列研究工作，以下對(duì)這三方面內(nèi)容做詳細(xì)介紹。

4.1 物理結(jié)構(gòu)

通過(guò)文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)到目前為止，澳大利亞伍倫貢大學(xué)在SOI微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)方面的研究處于引領(lǐng)地位，其余科研機(jī)構(gòu)對(duì)SOI微劑量計(jì)性能的研究基本都是基于伍倫貢大學(xué)研制的各代樣機(jī)。該科研團(tuán)隊(duì)一共設(shè)計(jì)了五代樣機(jī)，每一代產(chǎn)品都對(duì)上一代做出了一定的改進(jìn)，性能進(jìn)行了優(yōu)化，主要關(guān)注的性能為電荷收集效率的提升與電荷串?dāng)_的抑制。

4.1.1第一代SOI微劑量計(jì)

1998年Bradley博士提出并設(shè)計(jì)了基于微米級(jí)硅敏感體積(SV)的微劑量計(jì)。模擬多個(gè)細(xì)胞的硅SV陣列型微劑量計(jì)是在SOI襯底上制造的，平面SOI器件是由一個(gè)二維的30 μm×30 μm的二極管陣列組成，該陣列由細(xì)長(zhǎng)的平行六面體形狀的微米級(jí)SV組成，采用陶瓷DIL封裝。由于其結(jié)構(gòu)中的SiO2絕緣層，避免了任何電荷在有源SOI層下面的聚集，具體結(jié)構(gòu)如圖2[30]所示。

圖2 第一代SOI微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)Fig.2 The physical structure ofthe first generation SOI microdosimeter

這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生了靈敏的、厚度明確的體積單元，但經(jīng)過(guò)對(duì)中子和重離子的響應(yīng)測(cè)試以及對(duì)其電荷收集率的研究[31-32]，發(fā)現(xiàn)由于平面型的圓柱SV內(nèi)電場(chǎng)的橫向分布和電荷從外部擴(kuò)散到SV內(nèi)等原因?qū)е聠蝹€(gè)SV內(nèi)的能量沉積不明確，嚴(yán)重影響了SOI微劑量響應(yīng)的準(zhǔn)確性。

4.1.2第二代SOI微劑量計(jì)

2009年伍倫貢大學(xué)的Ziebell和新南威爾士大學(xué)的Lai在最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做出了進(jìn)一步改進(jìn)，發(fā)展了第二代SOI微劑量計(jì)。第二代SOI微劑量計(jì)也是基于平面型SV設(shè)計(jì)的，具體改進(jìn)是在平面SV的外圍增加了一個(gè)保護(hù)環(huán)以抑制電荷的橫向串?dāng)_，并通過(guò)鋁母線將所有的SV連接成兩個(gè)平行的奇數(shù)和偶數(shù)陣列。這種雙通道讀出改進(jìn)了對(duì)同一LET不同高能離子的相對(duì)生物效應(yīng)(RBE)的識(shí)別，具體結(jié)構(gòu)如圖3(左)[33]所示。

但是通過(guò)鋁母線將SV并聯(lián)時(shí)受制于加工工藝，導(dǎo)致鋁母線的寬度不能加工到很窄，以至于在加工過(guò)程或者是焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)鋁母線斷裂的情況，這就導(dǎo)致了SV之間失去電連接，輸出信號(hào)減弱，影響測(cè)量結(jié)果。

為解決以上問(wèn)題，2007年Ziebell等人[34]對(duì)第二代SOI微劑量計(jì)做了改進(jìn)。為消除SV之間橫向擴(kuò)散電荷被收集的可能，采用了新的工藝，將平面型SOI襯底通過(guò)蝕刻產(chǎn)生凸起的臺(tái)面型SV結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)臺(tái)面與周圍材料物理隔離，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3(右)。后續(xù)使用澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織(ANSTO)重離子微探針對(duì)該裝置的電荷收集特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)果表明改進(jìn)的SOI微劑量計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了100%的電荷收集效率。但與第二代SOI微劑量計(jì)存在相似的問(wèn)題，當(dāng)連接電極的鋁母線在每個(gè)SV的陡峭的臺(tái)面結(jié)構(gòu)上提升時(shí)有時(shí)會(huì)被損壞，這就導(dǎo)致了SOI陣列中SV收集的電荷不能達(dá)到100%的輸出，或者限于加工工藝，電荷輸出率會(huì)更低。

圖3 第二代SOI微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)[33](左)，改進(jìn)的第二代SOI微劑量計(jì)結(jié)構(gòu)[34](右)Fig.3 The physical structure of the second generation SOI microdosimete[33](left);The structure of the improved second generation SOI micro dosimeter[34](right)

國(guó)內(nèi)方面，2012年西安交通大學(xué)劉書煥團(tuán)隊(duì)[35]根據(jù)國(guó)際上對(duì)改進(jìn)型第二代SOI微劑量計(jì)的研究進(jìn)展，采用數(shù)值模擬軟件TCAD對(duì)影響SOI-PIN微劑量探測(cè)器靈敏區(qū)電荷收集特性的主要因素進(jìn)行了模擬與分析，結(jié)果顯示填加保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)可以抑制部分電荷串?dāng)_。

4.1.3第三代SOI微劑量計(jì)

鑒于第二代SOI微劑量計(jì)SV收集的電荷最終有效讀出不高，研究人員一直在努力開(kāi)發(fā)一種沒(méi)有互連問(wèn)題的3D SV陣列，且具有100%有效讀出的大面積微劑量計(jì)。

2012年伍倫貢大學(xué)的Jayde博士[36]基于前兩代SOI微劑量計(jì)設(shè)計(jì)了第三代物理結(jié)構(gòu)。該劑量計(jì)是在一個(gè)大面積、高電阻率的n型SOI襯底上制備的，具體物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 第三代SOI微劑量計(jì)拓?fù)鋱D[36]Fig.4 The physical structure of the thirdgeneration SOI microdosimeter[36]

這種結(jié)構(gòu)有效解決了SV電極互連問(wèn)題，使得電荷的有效讀出基本達(dá)到了100%，但引發(fā)了另外的問(wèn)題。雖然采用高電阻率的襯底對(duì)抑制電荷串?dāng)_起到了一定的作用，但沒(méi)有明確的物理隔離，相鄰SV之間嚴(yán)重的電荷串?dāng)_只是得到進(jìn)一步抑制，而沒(méi)有得到徹底解決。因此，研究人員也意識(shí)到只有物理隔離才能解決電荷收集問(wèn)題。

4.1.4第四代SOI微劑量計(jì)

隨著微尺度蝕刻技術(shù)的提升，2014年伍倫貢大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)中的Guatelli博士在第四代微劑量計(jì)中采用了溝槽形式，俗稱“橋式”劑量計(jì)，形成了SV的半隔離狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)如圖5[37]所示。該技術(shù)蝕刻產(chǎn)生直的平行六面體形狀的SV，同時(shí)在SV之間留下薄的硅橋來(lái)支撐鋁母線，這項(xiàng)新技術(shù)提供了一個(gè)定義良好的微米級(jí)三維空間矢量幾何形狀。

圖5 第四代SOI微劑量計(jì)物理結(jié)構(gòu)[37]Fig.5 The physical structure of the fourthgeneration SOI microdosimeter[37]

通過(guò)用5.5 MeV的氦離子研究第四代“橋式”微劑量計(jì)的響應(yīng)[11]，結(jié)果顯示“橋式”微劑量計(jì)中正方形敏感區(qū)域中電荷收集效率接近100%，仍然可以從附著在SV上的橋區(qū)觀察到一些橫向電荷收集。這就說(shuō)明 “橋式”微劑量計(jì)的設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)通過(guò)蝕刻技術(shù)將各SV連接區(qū)域的大部分硅去除，但在SV連接的橋區(qū)仍然存在橫向電荷串?dāng)_。

4.1.5第五代SOI微劑量計(jì)

通過(guò)前三代SOI的發(fā)展，證明基于平面技術(shù)的硅微劑量計(jì)存在不可避免的橫向電荷擴(kuò)散問(wèn)題，第四代“橋式”微劑量計(jì)的半物理隔離狀態(tài)導(dǎo)致其連接區(qū)域也無(wú)法避免橫向電荷串?dāng)_，足以說(shuō)明只要SV之間沒(méi)有做到真正的物理隔離，必然會(huì)引起橫向電荷的擴(kuò)散。

2014年Tran博士在改進(jìn)的第五代結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了“蘑菇”狀形態(tài)，做到類細(xì)胞陣列的完全物理隔離，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6[38]所示。這種新設(shè)計(jì)由三維立方體或圓柱形SV組成，整個(gè)SV陣列嵌入在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中以形成完全物理隔離。

“蘑菇”狀SOI微劑量計(jì)對(duì)Cf-252和Pu-Be中子場(chǎng)響應(yīng)的模擬結(jié)果表明[38]：與具有平面SV設(shè)計(jì)的SOI微劑量計(jì)相比，“蘑菇”狀微劑量計(jì)除了完全物理隔離的結(jié)構(gòu)使得相鄰三維硅SV之間的電荷串?dāng)_問(wèn)題基本得到解決外，還具有高組織等效性的優(yōu)勢(shì)。另外，清華大學(xué)也正在利用該結(jié)構(gòu)硅基微劑量計(jì)開(kāi)展相關(guān)微劑量學(xué)的研究工作，但未見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道。

綜合以上研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在SOI微劑量計(jì)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了一些重要成果，尤其是澳大利亞伍倫貢大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在五代SOI微劑量計(jì)的研發(fā)中取得了很多突破性的成果。無(wú)論是實(shí)現(xiàn)SV的物理隔離還是給SV增加保護(hù)環(huán)，均提高了硅微劑量計(jì)的電荷收集效率，但SV的形狀、相鄰SV之間的間隔、n/p電極注入深度及厚度與電荷收集及串?dāng)_存在的關(guān)系等還未得到充分研究，且伍倫貢大學(xué)的研究成果對(duì)于目前加工成型的樣機(jī)還存在并線的隱患。

4.2 中子、質(zhì)子及重離子微劑量測(cè)量

X射線和γ射線的穿透性很強(qiáng)，因此極易穿透微小的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對(duì)細(xì)胞引起的輻射生物效應(yīng)也很小。而中子、質(zhì)子和重離子的傳能線密度較高，一旦與細(xì)胞核相撞則會(huì)有大量的能量沉積，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的輻射損傷。因此，在微劑量學(xué)研究領(lǐng)域比較關(guān)注中子、質(zhì)子及重離子的微劑量研究與測(cè)量。

4.2.1中子微劑量測(cè)量

中子是具有高LET特性的一類特殊粒子，因其不帶電，微劑量探測(cè)陣列對(duì)中子的探測(cè)必須借助中子轉(zhuǎn)換材料。

1999年伍倫貢大學(xué)的Bradley博士[39]將第一代的SOI微劑量計(jì)首次應(yīng)用在硼中子俘獲治療(BNCT)的微劑量學(xué)測(cè)量中，結(jié)果表明第一代的SOI技術(shù)提供了明確的可模擬真實(shí)細(xì)胞的SV，但仍需要設(shè)計(jì)改進(jìn)SV之間的電荷橫向擴(kuò)散。在SOI微劑量計(jì)表面涂覆各種轉(zhuǎn)換材料來(lái)提高對(duì)中子和重離子微劑量的測(cè)量，研究表明在有機(jī)玻璃中直接涂覆10%的B-10可以提高對(duì)中子微劑量的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量能給出一個(gè)與模擬相似的譜；而U-235是一種可用于重離子微劑量測(cè)量的有效轉(zhuǎn)換材料。

2005年澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織的Reinhard博士[40]利用Geant4模擬了伍倫貢大學(xué)第一代SOI微劑量計(jì)對(duì)Pu-Be中子源的響應(yīng)，模擬中在劑量計(jì)頂端增加了聚乙烯(PE)轉(zhuǎn)換層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致，表明增加PE轉(zhuǎn)換層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中子劑量的有效測(cè)量，且改變轉(zhuǎn)換層厚度可以反映軟組織中特定深度的微劑量譜，轉(zhuǎn)換材料成分應(yīng)與感興趣的器官相匹配。

2014年伍倫貢大學(xué)的Tran博士[38]在對(duì)第五代硅基微劑量計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用Geant4建模，將PMMA材料嵌入三維SV，并在微劑量計(jì)頂部覆蓋了一層500 μm厚的PMMA轉(zhuǎn)換層以實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。其模擬結(jié)果顯示增加PMMA轉(zhuǎn)換材料后，在關(guān)注的線能范圍內(nèi)中子探測(cè)效率有所提升。

2017年西安交通大學(xué)雷鳴[41]利用Geant4模擬了SOI微劑量探測(cè)器對(duì)Cf-252中子和伽馬混合輻射場(chǎng)的線能譜，模擬過(guò)程中在微劑量計(jì)頂端加入了PE轉(zhuǎn)換層，得到的線能譜與TEPC實(shí)驗(yàn)測(cè)量的線能譜分布變化基本一致，在部分線能區(qū)間有差異。

2018年京都大學(xué)Hu博士與伍倫貢大學(xué)Tran博士[42]合作基于蒙卡方法模擬了第四代“橋式”硅基微劑量計(jì)對(duì)京都大學(xué)反應(yīng)堆(KUR)臨床BNCT場(chǎng)中微劑量譜的測(cè)量。由于BNCT場(chǎng)中除熱中子外還有快中子，因此模擬過(guò)程中不僅在SOI微劑量計(jì)的頂部覆蓋了B-10熱中子轉(zhuǎn)換層，而且在最外側(cè)增加了PMMA快中子轉(zhuǎn)換層，結(jié)果證明SOI微劑量計(jì)對(duì)BNCT中微劑量譜測(cè)量是可行的。由于KUR一直處于維護(hù)期，因此該工作并未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上，國(guó)內(nèi)外基于SOI微劑量計(jì)對(duì)中子微劑量的測(cè)量基本停留在模擬階段，僅對(duì)研究初期伍倫貢大學(xué)提供的第一代樣機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且測(cè)量結(jié)果僅是與模擬結(jié)果做了對(duì)比，未與TEPC的測(cè)量結(jié)果作對(duì)比，不能說(shuō)明SOI微劑量計(jì)和TEPC之間哪種測(cè)量方式更具優(yōu)勢(shì)，更深入、更系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究仍需盡快開(kāi)展。

4.2.2質(zhì)子及重離子微劑量測(cè)量

2000年Bradley博士[43]對(duì)第一代SOI微劑量計(jì)分別在日本筑波大學(xué)質(zhì)子醫(yī)學(xué)研究中心(PMRC)和波士頓東北質(zhì)子治療中心(NPTC)做了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)分別使用了250 MeV質(zhì)子束和230 MeV質(zhì)子束。結(jié)果表明SOI微劑量計(jì)能夠以高空間分辨率記錄線能譜，且該光譜與使用SRIM和棱鏡進(jìn)行的模擬以及基于先前質(zhì)子束中的比例計(jì)數(shù)器測(cè)量和對(duì)束特性理解的定性預(yù)期相一致，這也說(shuō)明了SOI微劑量計(jì)可以用于質(zhì)子治療中微劑量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

2007年伍倫貢大學(xué)的Wroe等人[44]在空間高能重離子輻射場(chǎng)中測(cè)試了第一代SOI微劑量計(jì)的相關(guān)性能。輻照是在NASA空間輻射實(shí)驗(yàn)室用0.6 GeV/u的鐵離子和1.0 GeV/u的鈦離子完成的，結(jié)果與已建立的TEPC數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，表明了SOI微劑量計(jì)用于確定人體模型內(nèi)線性能量數(shù)據(jù)的可行性，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能支持在空間環(huán)境中的進(jìn)一步測(cè)試和部署。

2017年伍倫貢大學(xué)的Chartier博士[45]首次利用第四代“橋式”SOI微劑量計(jì)在美國(guó)羅徹斯特的梅奧診所使用擴(kuò)展布拉格峰質(zhì)子筆形束(PBS)場(chǎng)測(cè)量了其場(chǎng)外位置的微劑量。表明“橋式”SOI微劑量計(jì)因具有小尺寸探頭，可以順利完成場(chǎng)外測(cè)量，而TEPC等其他微劑量測(cè)量設(shè)備因體積太大無(wú)法完成該項(xiàng)任務(wù)。同時(shí)利用該套SOI微劑量計(jì)在日本千葉的重離子醫(yī)用加速器上測(cè)量了C-12離子束的微劑量相關(guān)量，表明SOI微劑量計(jì)由于其輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和探頭前端的穩(wěn)定顫噪特性，適用于模擬器官運(yùn)動(dòng)來(lái)研究靶運(yùn)動(dòng)對(duì)放療效果的影響。

2020年日本國(guó)家放射科學(xué)所的Lee等人[46]利用第五代“蘑菇”式SOI微劑量計(jì)樣機(jī)測(cè)量了原始氦離子在不同位置的微劑量線性能譜，獲得胰腺癌細(xì)胞的微劑量動(dòng)力學(xué)(MK)參數(shù)。根據(jù)在氦離子的原始布拉格曲線的每個(gè)位置測(cè)量的光譜，計(jì)算飽和校正的劑量平均線性能量，并且確定MK參數(shù)，使得計(jì)算的存活曲線能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)體外數(shù)據(jù)。該研究結(jié)果表明使用來(lái)自SOI微劑量計(jì)測(cè)量的物理劑量和微劑量線性能譜的MK參數(shù)能夠預(yù)測(cè)暴露于氦離子束擴(kuò)展布拉格峰(SOBP)區(qū)域內(nèi)胰腺癌細(xì)胞的存活分?jǐn)?shù)。

綜上所述，利用SOI微劑量計(jì)對(duì)質(zhì)子和重離子的微劑量實(shí)驗(yàn)測(cè)量的開(kāi)展情況要優(yōu)于對(duì)中子微劑量的測(cè)量，原因在于質(zhì)子和重離子是帶電粒子，而中子不帶電。對(duì)中子微劑量的測(cè)量需要在SOI微劑量計(jì)的表面進(jìn)行轉(zhuǎn)換材料的填充，盡可能提高對(duì)中子的探測(cè)效率。

通過(guò)對(duì)質(zhì)子和重離子微劑量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及與TEPC測(cè)量結(jié)果的對(duì)比，充分說(shuō)明SOI微劑量計(jì)在微劑量實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)，也為后續(xù)加強(qiáng)SOI微劑量計(jì)對(duì)中子微劑量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量奠定了一定的基礎(chǔ)。

4.3 組織等效轉(zhuǎn)換

與TEPC通過(guò)改變充入氣體密度來(lái)模擬人體各組織器官不同的是SOI微劑量計(jì)的主體探測(cè)單元硅SV不是組織等效的。SOI微劑量計(jì)給出的線能譜結(jié)果需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能得到組織細(xì)胞中的真實(shí)能譜。

1998年Bradley[47]針對(duì)伍倫貢大學(xué)第一代SOI微劑量計(jì)在BNCT中的應(yīng)用，采用蒙卡方法模擬了熱中子與硅和組織相互作用產(chǎn)生的離子產(chǎn)物的射程-能量關(guān)系，進(jìn)而獲得離子在硅SV和組織中的微劑量譜，對(duì)比結(jié)果顯示在0.63的轉(zhuǎn)換系數(shù)下硅探測(cè)器記錄具有代表性的組織細(xì)胞等效形狀的能量沉積光譜。

2008年Guatelli[48]針對(duì)伍倫貢大學(xué)第二代SOI微劑量計(jì)在質(zhì)子治療和宇航員質(zhì)子防護(hù)中的應(yīng)用，利用Geant4模擬了MeV能量的質(zhì)子在圓柱形硅SV和水模中沉積的能譜，給出了0.56的組織等效轉(zhuǎn)換系數(shù)，并說(shuō)明線性尺寸的簡(jiǎn)單幾何比例因子足以將實(shí)驗(yàn)獲得的硅微劑量能量沉積轉(zhuǎn)換成水中的等效微劑量能量沉積譜。

2017年Bolst[49]利用蒙卡模擬方法將重離子治癌中C-12的硅微劑量譜轉(zhuǎn)換為組織內(nèi)的能量沉積譜，發(fā)現(xiàn)在10 μm大小的硅圓柱體SV中的能量沉積譜與在組織中測(cè)量的能譜形狀相同，只是存在一個(gè)縮放系數(shù)。

綜上所述，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)固定形狀硅微劑量計(jì)中特定參數(shù)的熱中子、質(zhì)子和C-12離子能量沉積的組織等效轉(zhuǎn)換進(jìn)行了相關(guān)研究，而對(duì)于其他復(fù)雜參數(shù)高LET粒子輻射環(huán)境下普適性SOI微劑量計(jì)的組織等效性仍未得到系統(tǒng)的研究，且在組織等效轉(zhuǎn)換的過(guò)程中采用的方法也未得到統(tǒng)一。

5 展望與討論

隨著微劑量學(xué)的蓬勃發(fā)展，對(duì)微劑量測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的TEPC測(cè)量手段存在諸多缺陷，新型的SOI微劑量計(jì)與TEPC相比，雖然有著高分辨、快響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，但從概念提出發(fā)展至今存在一些問(wèn)題需要解決：

(1)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：國(guó)際上主要是伍倫貢大學(xué)在這方面研究比較深入，國(guó)內(nèi)尚屬空白。經(jīng)過(guò)五代樣機(jī)的不斷改進(jìn)，在電荷收集方面做出了很大的改善。但在SV的形狀、相鄰SV之間的間隔、n/p電極注入深度及厚度等對(duì)高LET粒子微劑量測(cè)量的具體影響仍未得到深入研究。經(jīng)過(guò)對(duì)這些影響因素的系統(tǒng)研究，可以對(duì)新一代物理結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供幫助。同時(shí)，需要對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)以解決目前樣機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的并線問(wèn)題。

(2)中子、質(zhì)子及重離子微劑量的測(cè)量：SOI微劑量計(jì)對(duì)質(zhì)子和重離子微劑量的測(cè)量研究頗多，很多相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果都說(shuō)明了SOI微劑量計(jì)優(yōu)于TEPC等傳統(tǒng)微劑量測(cè)量設(shè)備。但是對(duì)中子微劑量的測(cè)量報(bào)道大多停留在模擬階段，實(shí)驗(yàn)研究甚少，原因在于對(duì)中子的測(cè)量需要對(duì)中子轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行深入研究。如何提高實(shí)際測(cè)量中中子的探測(cè)效率是加快實(shí)現(xiàn)中子微劑量實(shí)驗(yàn)測(cè)量后續(xù)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

(3)組織等效方面：目前通過(guò)蒙卡模擬方法得到了幾種粒子在SOI微劑量計(jì)中的射程-能量與線能譜，并通過(guò)射程-能量的比值或者是線能譜之間的比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)了與組織的等效轉(zhuǎn)換。下一步需要對(duì)兩種等效轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出一種最為普適的等效轉(zhuǎn)換方式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)更多復(fù)雜參數(shù)粒子的微劑量譜做出等效轉(zhuǎn)換。

通過(guò)對(duì)以上三方面的深入研究，將有效促進(jìn)我國(guó)乃至世界SOI微劑量計(jì)的研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，為常規(guī)放射從業(yè)者以及空間站等特殊場(chǎng)所[50-51]工作人員輻射生物效應(yīng)的研究提供更接近細(xì)胞甚至亞細(xì)胞尺度的測(cè)量工具和更精確的微劑量測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可用于強(qiáng)子治療中粒子輻照劑量表征，為放射治療質(zhì)量保證提供技術(shù)支持[52-54]。