滕忠斌, 宋明哲, 魏可新, 杭仲斌, 耿璇, 高飛, 劉蘊韜, 劉森林
(中國原子能科學(xué)研究院 計量與校準技術(shù)重點實驗室, 北京 102413)
眼晶狀體是電離輻射敏感性最高的人體組織器官之一[1-3]。介入治療工作場所中存在著大量的X射線,介入醫(yī)生直接暴露在X射線輻射場中,其眼晶狀體當量劑量有可能超過當前國際上的劑量限值(5 a內(nèi)平均年當量劑量為20 mSv,年最高當量劑量不超過50 mSv[4])。因此,在介入治療過程中需要對放射職業(yè)人員的眼晶狀體劑量進行監(jiān)測,用于評估輻射危害和優(yōu)化防護方法。為保障劑量監(jiān)測結(jié)果的準確可靠,眼晶狀體劑量計需要送至有資質(zhì)的計量部門進行周期性的校準和檢定。相比于校準實驗室中常用的ISO N系列輻射質(zhì),RQR系列輻射質(zhì)的能譜分布與實際診斷輻射場中的能譜分布更為接近[5-6]。眼晶狀體劑量計在RQR輻射場中的響應(yīng)能更好地反映其在介入治療環(huán)境中的響應(yīng)。因此,在RQR輻射場中開展眼晶狀體劑量計的校準工作同樣具有實際意義[7-9]。
校準眼晶狀體劑量計首先需要確定輻射場校準位置處的眼晶狀體運行實用量(Hp(3)和Dp lens)的約定真值。其中,眼晶狀體個人吸收劑量Dp lens是由國際電離輻射測量及單位委員會(International Commission on Radiation Units and Measurements,ICRU)重新定義的一個運行實用量[10]。相比于個人劑量當量Hp(3),Dp lens使用了與眼晶狀體當量劑量HTlens相同的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù),可以更準確地評估HTlens。根據(jù)ISO 4037標準中推薦的方法[11],在確定參考輻射場中Hp(3)和Dp lens的約定真值時,需要使用空氣比釋動能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù),將校準位置處的Kair分別轉(zhuǎn)換為Hp(3)和Dp lens。
目前國外研究人員模擬計算了RQR輻射質(zhì)的Kair到Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)[9,12]。但由于輻射質(zhì)的能譜分布受X光機的特性參數(shù)(如管電壓、固有過濾、附加過濾和靶角等)影響,進而影響了輻射質(zhì)的Kair到Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)的大小。為了實現(xiàn)對Hp(3)的準確定值,需要針對已有特定的輻射質(zhì)進行劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算。此外,Dp lens轉(zhuǎn)換系數(shù)的大小不僅與輻射質(zhì)有關(guān),還與人種信息有關(guān)[13-15]。目前國內(nèi)暫無文獻給出RQR輻射場中Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù)。
本文為了獲得具有更小測量不確定度的輻射質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)和避免復(fù)雜的能譜解析過程,使用蒙特卡羅方法分別計算了RQR輻射場中空氣比釋動能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù)。并與能譜解析結(jié)果比較,驗證本文模擬計算結(jié)果是否準確。本文研究得到的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)可用于確定RQR輻射場中Hp(3)和Dp lens的約定真值,進而用于校準眼晶狀體劑量計、降低定值結(jié)果的測量不確定度和開展相關(guān)量值傳遞與量值比對工作。
RQR輻射場由X光管產(chǎn)生的X射線經(jīng)過過濾材料后形成。本研究使用雙極性油冷卻X光管(品牌:YXLON,型號:Y.TU450-D10)作為X射線發(fā)生裝置,具體參數(shù)為:鎢靶,靶角30°,固有過濾0.5 mm Be,出射角40°,最大管電壓450 kV。IEC 62167標準中規(guī)定了建立RQR系列輻射質(zhì)的輻射條件,其中包括X光機靶角、管電壓、固有過濾、第一半值層和同質(zhì)系數(shù)[6]。本文使用的RQR2~RQR10輻射質(zhì)滿足IEC 62167標準中對RQR輻射質(zhì)的相關(guān)要求,其具體參數(shù)如表1所示。
表1 RQR輻射質(zhì)特性參數(shù)
1.2.1 光機建模與驗證
根據(jù)X光機產(chǎn)品手冊中的數(shù)據(jù)和實際照射裝置的結(jié)構(gòu),在BEAMnrc[16]中建立用于產(chǎn)生RQR系列輻射質(zhì)的MC模型,如圖1所示。上述MC建模中所依據(jù)的材料信息如表2所示。
圖1 用于產(chǎn)生RQR系列輻射質(zhì)的MC模型Fig.1 MC model for the generation of RQR radiation qualities
使用BEAMnrc和圖1中的MC模型,模擬計算RQR2~RQR10輻射場中距離光機焦點100 cm處的相空間文件。計算得到的相空間文件中包含了入射粒子類型、能量、注量和角分布等信息。使用BEAMDP[18]對相空間文件進行分析,得到RQR2~RQR10輻射質(zhì)的光子注量譜。然后比較模擬注量譜與實際注量譜的能譜形狀,通過調(diào)整光機MC模型中Be窗和附加過濾的厚度,使模擬注量譜更接近實際注量譜。其中,實際注量譜通過能譜測量與解譜計算得到,基本方法可以參考文獻[19]。
表2 照射裝置MC模型材料信息Table 2 Material information for the MC model of the irradiation facility
1.2.2 轉(zhuǎn)換系數(shù)計算
個人劑量當量H(d)表示為品質(zhì)因數(shù)Q和吸收劑量D(d)的乘積,其中d為ICRU組織中的深度。對于光子,品質(zhì)因數(shù)Q等于1。此時可以將吸收劑量D(d)的數(shù)值大小等同于個人劑量當量H(d) 的數(shù)值大小。為了得到RQR系列輻射質(zhì)的空氣比釋動能到Hp(3)和空氣比釋動能到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù),首先需要分別計算校準位置處的Hp(3)和Dp lens。計算所使用的體模分別為:1)圓柱型體模:直徑20 cm,高20 cm,由ICRU組織(10.12%H:11.1%C:2.6%N:76.18%O, 1 g/cm3)填充。記錄區(qū)域中心位于圓柱體模3 mm深度處。記錄區(qū)域沿半徑方向厚度0.02 mm,沿軸線方向高50 mm,寬度0.411 mm(角度0.242 7°);2)具有國人特征的頭部和眼部體模MC模型。該人眼模型由角膜、鞏膜、玻璃體、晶狀體、虹膜和前房6個部分組成[15,21]。頭部模型的建立考慮了頭全高、頭最大寬、頭最大長、瞳孔間距和眼球突出度5個結(jié)構(gòu)[20]。上述計算所使用的體模模型如圖2所示。
圖2 劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)計算模型Fig.2 Models for the calculation of dose conversion coefficients
計算時將RQR2~RQR10輻射質(zhì)的模擬注量譜作為輸入能譜。選擇合適的射束直徑,使得上述體模完全處于平行光子束之中。然后計算不同輻射質(zhì)和不同輻射入射角度(0°~90°,15°間隔)下單位光子注量的Hp(3)和Dp lens。由于在光子參考輻射場中,校準位置處需要存在帶電粒子平衡。因此在計算時設(shè)置體模材料的電子輸運截止能量大于光子輸運截止能量,使得次級電子的能量就地沉積。計算過程中的MC輸運參數(shù)為:光子和電子的輸運截止能量分別為1 keV和512 keV;選擇XCOM截面用于光子輸運過程;使用標準EGSnrc截面計算電子碰撞阻止本領(lǐng),以及使用Bethe-Heitler截面計算電子輻射阻止本領(lǐng);設(shè)置每個電子輸運步長中的電子最大損失能量份額為25%(ESTEPE=0.25);輸運粒子數(shù)設(shè)置為1×108~2×109個,使得轉(zhuǎn)換系數(shù)計算結(jié)果的統(tǒng)計好于1%。
使用EGSnrc中的g程序[21-22]和1.2.1節(jié)中模擬得到的注量譜計算各RQR輻射質(zhì)的單位光子注量的空氣比釋動能Kair。結(jié)合各RQR輻射質(zhì)的單位光子注量的Hp(3)和Dp lens,得到空氣比釋動能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù),結(jié)果如表3~6所示。
表3 RQR2~RQR6輻射質(zhì)Hp(3)/Kair計算值與解析值Table 3 Simulated and analytical values of Hp(3)/Kair for RQR2~RQR6 radiation qualities
表4 RQR7~RQR10輻射質(zhì)Hp(3)/Kair計算值與解析值Table 4 Simulated and analytical values of Hp(3)/Kair for RQR7~RQR10 radiation qualities
表5 RQR2~RQR6輻射質(zhì)Dp lens/Kair計算值與解析值Table 5 Simulated and analytical values of Dp lens/Kair for RQR2~RQR6 radiation qualities
表6 RQR7~RQR10輻射質(zhì)Dp lens/Kair計算值與解析值Table 6 Simulated and analytical values of Dp lens/Kair for RQR7~RQR10 radiation qualities
使用由能譜解析方法得到的實際注量譜和分別計算空氣比釋動能Kair到Hp(3)、Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù):
(3)
式中:E為光子的能量;ΦE(E)為光子注量對能量的微分分布;μtr(E)/ρ為空氣的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)。由于在本研究所考慮的光子能量范圍內(nèi),可以忽略質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)能吸收系數(shù)μen(E)/ρ的數(shù)值差異,因此計算時使用μen(E)/ρ代替μtr(E)/ρ。h(E)表示為單能光子空氣比釋動能Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù),其數(shù)值大小可參考ISO 4037-3和文獻[20]中的推薦值。
為了驗證1.2.1節(jié)中建立的MC模型是否準確,比較了部分模擬注量譜與實際注量譜,如圖3所示。在模擬過程中,通過調(diào)整附加過濾的厚度,使模擬注量譜更接近于實際注量譜。模擬注量譜和實際注量譜的平均能量為:
(4)
計算結(jié)果如表7所示。
圖3 部分RQR輻射質(zhì)的模擬注量譜與實際注量譜Fig.3 Comparison of the simulated and the true fluence spectra for RQR radiation qualities
表7 模擬注量譜與實際注量譜的平均能量對比
圖3中僅給出了部分模擬注量譜與實際注量譜的對比圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn),模擬注量譜與實際注量譜的形狀大體相符。從表7中可以得到,所有RQR輻射質(zhì)的模擬注量譜與實際注量譜的平均能量的相對偏差在2.8%之內(nèi)。其中,RQR2~RQR6輻射質(zhì)的模擬注量譜與實際注量譜的平均能量的相對偏差在1.4%之內(nèi)。通過上述計算,驗證了圖1中的MC模型較為準確,可用于劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的計算。
根據(jù)1.2.1節(jié)中的方法,分別模擬計算不同角度下RQR2~RQR10的空氣比釋動能到Hp(3)和Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù),結(jié)果如表3~6所示。并且,針對RQR2~RQR10輻射質(zhì)的實際注量譜,通過能譜解析得到各輻射質(zhì)的空氣比釋動能到Dp lens和Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù),計算結(jié)果如表3~6所示。從表3~6中可以得到,轉(zhuǎn)換系數(shù)Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的模擬結(jié)果與能譜解析結(jié)果的最大相對偏差分別為2.91%(RQR4, 90°)和3.95%(RQR4, 75°)。通常由能譜解析法得到的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的擴展不確定度(k=2)為4%[9,17]。上述二者偏差均小于能譜解析結(jié)果的測量不確定度,即模擬結(jié)果均在能譜解析結(jié)果的測量不確定度范圍內(nèi)。
本文研究得到的Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù)的測量不確定度包含2種成分:1)統(tǒng)計不確定度。采用方和根法,由模擬結(jié)果的統(tǒng)計不確定度合成得到。2)非統(tǒng)計不確定度。上述轉(zhuǎn)換系數(shù)均為不同形狀的體模中的吸收劑量(針對Hp(3)和Dp lens)和校準位置處的空氣比釋動能的比值。考慮到以下原因,本文研究認為非統(tǒng)計不確定度可以忽略不計:1)盡管使用了不同的EGSnrc用戶程序來計算吸收劑量和空氣比釋動能,但模擬計算均是在帶電粒子平衡條件下進行。這使得在模擬計算過程中,光子產(chǎn)生的次級電子的能量就地沉積,次級電子沒有被輸運,計算結(jié)果僅與光子輸運過程有關(guān)。因此不必考慮電子阻止本領(lǐng)的測量不確定度(經(jīng)驗值為2%[23])對計算結(jié)果的影響;2)由于吸收劑量和空氣比釋動能的計算過程中均使用了相同的輸運參數(shù),二者計算結(jié)果相除將大大減小計算結(jié)果的不確定度;3)本文計算針對的是強貫穿輻射(能量大于15 keV的光子)在物質(zhì)中的能量沉積問題。因此,不必考慮記錄體積內(nèi)存在劑量分布不均勻情況。從而不必考慮記錄區(qū)域的大小為計算結(jié)果帶來測量不確定度。最終本文研究將計算結(jié)果的統(tǒng)計不確定度作為轉(zhuǎn)換系數(shù)模擬結(jié)果的標準測量不確定度,如表8、9所示。
表8 RQR2~RQR10輻射質(zhì)Hp(3)/Kair計算值的不確定度Table 8 Uncertainties of the values of Hp(3)/Kair for RQR2~RQR10 radiation qualities %
表9 RQR2~RQR10輻射質(zhì)Dp lens/Kair計算值的不確定度Table 9 Uncertainties of the values of Dp lens/Kair for RQR2~RQR10 radiation qualities %
相關(guān)文獻中Kair到Hp(3)和Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù)推薦值均具有2%左右的測量不確定度[9,24]。與上述文獻中的轉(zhuǎn)換系數(shù)進行比較,發(fā)現(xiàn)根據(jù)本文提出的轉(zhuǎn)換系數(shù)計算方法,最終得到的Hp(3)和Dp lens轉(zhuǎn)換系數(shù)的不確定度最大值分別為0.86%(RQR2,90°)和0.14%(RQR2,90°)。因此,相比于使用文獻中轉(zhuǎn)換系數(shù)的推薦值,使用本文計算得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)可以有效降低Hp(3)和Dp lens約定真值的測量不確定度。
1)計算得到了RQR2~RQR10輻射質(zhì)的Kair到Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(0°~90°,15°間隔),并給出了其推薦值;
2)計算得到了RQR2~RQR10輻射質(zhì)的Kair到Dp lens的轉(zhuǎn)換系數(shù)(0°~90°,15°間隔),并給出了其推薦值;
3)Hp(3)和Dp lens轉(zhuǎn)換系數(shù)的模擬值與能譜解析值最大相對偏差分別在2.91%(RQR4, 90°)和3.95%(RQR4, 75°)之內(nèi)。結(jié)合能譜解析結(jié)果的擴展不確定度(k=2)為4%,可以認為本文提出的轉(zhuǎn)換系數(shù)模擬方法是合理的;
4)Hp(3)和Dp lens轉(zhuǎn)換系數(shù)的模擬結(jié)果分別具有不高于0.86%(RQR2,90°)和0.14%(RQR2,90°)的標準測量不確定度。與能譜解析結(jié)果的標準測量不確定度(通常為2%[17])相比,本文計算模擬得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)具有更小的不確定度。
本文研究可以為國內(nèi)眼晶狀體運行實用量量值溯源體系的建立提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐,進而為眼晶狀體劑量監(jiān)測儀表的讀數(shù)準確可靠提供計量保障。