医用加速器水吸收剂量测量研究及国际比对*

王 坤 金孙均 苌 雪 杨小元 张 健

(中国计量科学研究院，北京 100029)



医用加速器水吸收剂量测量研究及国际比对*

王 坤 金孙均 苌 雪 杨小元 张 健

(中国计量科学研究院，北京 100029)

介绍了量热法测量水吸收剂量的方法，着重论述了石墨量热计和水量热计的绝对测量过程和核心装置，讨论了主要发达国家的量热计装置和当前的不确定度水平。给出了各国计量实验室的医用加速器辐射质参数，申报国际计量局校准测量能力情况，以及加速器水吸收剂量国际比对进展和最新结果。

医用加速器；水吸收剂量；绝对测量；国际比对

0 引言

水吸收剂量定义为单位质量的水所吸收的电离辐射的能量，是电离辐射计量领域最重要的物理量之一，也是国际计量基标准互认协议的关键比对项目。医用加速器是放射治疗的主要设备，放疗剂量的准确是患者治疗效果和生命安全的基本保障，加速器水吸收剂量量值的准确和一致是这一保障的计量基础。2010年，国际计量局发布了首次加速器高能光子水吸收剂量关键比对报告[1]，截止2014年底，加拿大、德国、美国、法国、澳大利亚等国家计量实验室陆续完成了加速器吸收剂量比对[2]。

当前计量实验室复现水吸收剂量主要采用量热方法，单次放射治疗的剂量一般为2Gy，如果水吸收了这些能量，导致的温升约为0.5mK。为满足临床量值溯源的需求，要求量热计测量吸收剂量的不确定度小于0.5%，这就要求其测量温度的不确定度能力达到2.5μK的水平[3]。石墨与水的辐射性能相近，其比热容比水约小6倍，即便如此，也需要μK量级的温度分辨水平，这在室温条件下很有挑战，需要搭建非常精密的测量系统。

尽管电离辐射量热计的实现十分困难，但是由于放射治疗领域应用的需求及其在电离辐射计量领域的重要地位，上世纪六七十年代已有初步的尝试，现在，可以参考的相关文献有来自加拿大国家研究委员会(NRC)[4]、英国国家物理实验室(NPL)[5]、澳大利亚辐射防护与核安全局(ARPANSA)[6]、法国贝克勒尔国家实验室(LNHB)[7]和瑞士计量院(METAS)[8]的研究报告，各国计量机构采用不同的实验方法实现量热计的测量；以及Seuntjens[9]和McEwen[10]的综述文章。

本文旨在介绍医用加速器高能光子剂量测量中石墨量热计和水量热计的最新进展，以及目前加速器水吸收剂量国际关键比对情况。

1 吸收剂量量值复现

1.1 石墨量热计

以石墨量热计作为Co-60和MV光子基准的国际计量机构主要有NPL(英国)、LNHB(法国)、ARPANSA(澳大利亚)等，我国也开展了相关的研究工作[11]。

NPL量热芯为直径20mm、厚度2.8mm的圆盘[12]。量热芯由石墨壳包裹，以减小热量的传输，几层石墨包裹后最终固定在石墨模体中。为降低热传递，所有的空隙保持真空状态。非真空条件下，量热芯与其周围环境热交换的时间常数为30s，当气压降至10-4Pa时，该时间常数约为900s。温控组件包括热敏电阻和加热电阻，后者用于保证温度控制，并实现电校准，即测定量热芯的有效比热容。该石墨量热计的最小测量深度为0.93g/cm2，这意味其可以测量Co-60至20MV光子，以及6MeV以上电子束的吸收剂量。在剂量率为1Gy/min，测量1Gy累积剂量的不确定度，对应于石墨和水吸收剂量分别为0.30%和0.46%。

LNHB研制的石墨量热计与Domen型有所不同[13]。Domen型一般有一个小的石墨芯被几层石墨包裹，并固定在石墨模体中。不同组件间的真空隙起到热绝缘作用，加热热敏电阻测量比热容。LNHB量热计主要区别是石墨包壳都是对称的，并在石墨中使用了大量的热敏电阻，而且采用了恒温模式进行温控操作。

图1 法国LNHB石墨量热计结构图

图1所示为LNHB石墨量热计结构图，其每层石墨包壳都由两部分组成，通常是一个基体和一个盖子。基体和盖子之间的界面成为热流动的屏障，使得基体和盖子的温度显著不同，并与包壳的电加热功率成正比。包壳平均了内表面的温度，这决定了向量热芯的热传递速率。该设计通过多个热敏电阻，解决了热损修正的问题。但是热敏电阻的扰动效应及其导线带来的潜在热传输需要额外考虑。

这种芯-壳结构的另一特点是改进了热绝缘，时间常数是NPL量热计的2倍左右。恒温模式中时间常数的增大，意味着可以测量更长的时间，从而降低A类不确定度。其模块化的特性也使得可以用来测量更大范围的辐射束，如放射治疗所用的较低能量的电子束(Domen型不可以)。其测量石墨和水吸收剂量的不确定度分别为0.24%和0.35%。

1.2 水量热计

水量热计(如图2所示)通常采用水平束入射，即射线水平入射量热计模体，边长为30cm的有机玻璃模体中充满去水离子，其外壁由5cm厚的隔热聚苯乙烯泡沫包裹。模体底部置有磁性搅拌器，用于均匀水温。模体上盖为铂电阻温度计、量热芯导线等预留若干孔洞。模体的射线入射处，开有边长12cm、厚3mm的窗口，该窗口亦由一个可移动的5cm厚的聚苯乙烯泡沫做隔热处理。整个量热计模体置于一个边长85cm的木箱子中，箱中通过风扇、热交换器、半导体制冷器控温。为加速温度的控制，水模体中也有热交换器，通过流动的制冷剂控制模体的水温。量热计可实现1℃至25℃之间任意温度的控制，从室温20℃降至4℃通常需要4个小时左右的时间。模体和木箱之间空气的温度通过一个校准过的铂电阻监测，确保空气循环和温度的控制。

图2 水量热计基本结构图

水量热计在射线场中运行后的原始数据为测量得到的电桥电压随时间变化的函数。电桥电压的变化可以转变为热敏电阻阻值的变化，如果经校准获得了电阻的灵敏度参数，就可以进一步转化为温度的变化。水量热法测量水吸收剂量的不确定度在0.20%至0.35%之间[14]。

2 加速器高能光子水吸收剂量测量

2.1 医用电子直线加速器

医用电子直线加速器是临床放射治疗设备，最早开始直接在医用加速器上进行吸收剂量量值复现实验的是美国、德国等国家计量实验室，目的是为进一步降低临床放疗吸收剂量量值的不确定度，经过测量技术多年的发展，目前已有10个国家计量实验室配备了医用加速器，用于计量学研究。

作为计量实验室的参考辐射装置，为了满足吸收剂量量值复现的要求，需详细表征参考辐射的剂量学性能，如辐射野的均整度、剂量输出的重复性和稳定性等。表1所列为主要发达国家计量实验室的加速器辐射质参数[15]，可以看出德国计量实验室给出的组织模体比为4位有效位数，这也在一定程度上反映了其加速器辐射场的测量能力。

2009年开始，国际计量局开始进行加速器光子吸收剂量比对，并在国际计量大会上提出购置医用加速器的计划，加快了各国进行该项研究的进程。

表1 主要发达国家计量实验室的医用电子直线加速器组织模体比

到2020年，待完成一轮关键比对后，基于医用加速器的吸收剂量量值溯源，将在一定程度上代替目前各国普遍开展的Co-60吸收剂量的校准服务。

2.2 该量值校准测量能力(CMC)

加拿大、法国、德国、俄罗斯、瑞士、英国和美国共7个国家计量实验室申报了该项量值的国际校准测量能力，并公布在CMC数据库中[16]。其中加拿大、德国、瑞士、美国采用水量热方法，另外几个国家采用石墨量热方法。随着国际比对的进行，参加比对后的实验室也将申请相应的CMC项目。在实际计量服务中，上述几个计量实验室也向本国放射治疗中心提供了该量值的校准和测量服务。

3 国际比对

3.1 国际计量局比对计划

根据CCRI的决议，国际计量局正在进行高能光子水吸收剂量比对(BIPM.RI(I)-K6)，该比对采取直接比对方案，即国际计量局携带石墨量热计至各参比实验室，现场复现光子水吸收剂量，与参比实验室值进行比对，比对参考值即为国际计量局的复现值。这样，通过国际计量局的参考值，各国所复现的高能光子水吸收剂量可以实现等效和互认。

3.2 比对进展和比对结果

由于该项比对需要在各国现场进行，并且实验和计算工作复杂耗时，每年只能安排1到2个国家实验室参加比对，目前比对计划已排至2019年。加拿大NRC是首个参比实验室，截止到2014年12月，已有7个实验室参加比对，其中5份比对报告已发表，三个比对光子能量为6MV、10MV和25MV，如图3所示，各实验室与比对参考值的差异均在0.6%以内[17]。

图3 截止至2014年底加速器水吸收剂量比对等效图

4 结论

主要发达国家已逐渐实现了加速器高能光子吸收剂量的量值复现和量值传递，部分国家已申报了CMC能力，待国际计量局完成K6比对，各国测量能力得到互认，量传方法得到验证后，世界范围内将普遍进行放疗领域的高能光子水吸收剂量校准。

我国已具备Co-60水吸收剂量的量值复现和量值传递能力，正在进行加速器高能光子水吸收剂量基准装置的研究，并计划于2016年参加国际比对，进而申报CMC，并建立我国高能光子水吸收剂量量值传递体系。

尽管即便拥有加速器高能光子水吸收剂量校准能力的计量实验室，也同时保持和并行着Co-60γ射线水吸收剂量的校准，但无疑高能光子的校准服务更接近于放射治疗的临床情况，其潜在的可进一步降低不确定度的可能，更接近现场的校准测量条件，使得各国将持续进行计量测量研究，以期取得更大的突破。

[1] S.Picard, D.T.Burns, and P.Roger, et al, Comparison of the standards for absorbed dose to water of the NRC and the BIPM for accelerator photon beams.Metrologia, 2010, 47 Tech.Suppl.06025

[2] S.Picard, D.T.Burns and J.M.Arcos, Establishment of degrees of equivalence of national primary standards for absorbed dose to water in accelerator photon beams, Metrologia,2013, 50, Tech.Suppl.06016

[3] D.Rogers, J.Cygler, Clinical Dosimetry Measurementsin Radiotherapy, Proceedings of theAmerican Association of Physicists in Medicine, Colorado Springs, Colorado, 2009

[4] C.Ross, N.V.Klassen, NRC Workshop on Water Calorimetry.Ottawa: National Research Council, 1988

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[6] ARPANSA, Australian Radiation Protection and Nuclear SafetyAgency.Workshop on Recent Advances in Absorbed Dose Standards, 19-21 August 2003

[7] J.Daures, A.Ostrowsky,Test of the New GR9 Graphite Calorimeter in Proceedings of Absorbed Dose and Air Kerma Primary Standards Workshop Paris,Saclay, France: LNE-LNHB, 2007

[8] G.Stucki, W.Muench, and H.Quintel.The METAS Absorbed Dose to Water Calibration Service for High Energy Photon and Electron Beam Radiotherapy in Standards and Codes of Practice in Medical Radiation Dosimetry.Proceedings of an International Symposium, Vienna, 2002.Vienna, Austria: IAEA, 2003

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[12] A.R.DuSautoy, NPL Calorimetry: The evolution so far, National Physical Laboratory (NPL), Teddington, Middx, UK, TW11 0LW, 2009

[13] J.Daures, A.Ostrowsky, Test of the new GR9 graphite calorimeterComparison with GR8, LNE-LNHB, CEA Saclay, 91191 GIF sur Yvette Cedex FRANCE, 2010

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[15] Calorimetric comparison of absorbed dose to water at high energies, BIPM Key Comparison BIPM.RI(I)-K6 protocol, 2014

[16] http://kcdb.bipm.org

[17] S.Picard, D.T.Burns, and P.Roger et al.Key comparison BIPM.RI(I)-K6 of the standards for absorbed dose to water of the ARPANSA, Australia and the BIPM in accelerator photon beams, Metrologia, 2014, 51 Tech.Suppl.06006

科技支撑计划课题，医用加速器输出剂量计量基标准及溯源体系研究(2011BAI02B01)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.16