高精度科研辐照平台的建立及辐射场参数测量

刘志凯，刘峡，张福泉

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院放射治疗科，北京100730

高精度科研辐照平台的建立及辐射场参数测量

刘志凯，刘峡，张福泉

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院放射治疗科，北京100730

目的建立基于医用加速器的高精度科研辐照平台并对其性能进行评价。方法针对科研常用的细胞培养皿设计并制作模体;针对模体设置加速器参数，搭建辐照平台;对该平台的准确性及稳定性、均匀性、安全性等参数进行测量及评价。结果本平台在剂量率为600 MU/min时，处方剂量在0.5～20 Gy之间，平均剂量偏差在2%以内;处方剂量在50 Gy水平，平均剂量偏差为3%～5%。在处方剂量为2 Gy，剂量率分别为100、200、300、600、1000 MU/min水平时，辐射场平均剂量偏差在2%以内。在处方剂量为2 Gy、剂量率为600 MU/min水平时，同一培养皿内最大剂量点与最小剂量点剂量差值为0.05 Gy;中央培养皿、侧边培养皿及边角培养皿辐射场实际剂量为(2.005±0.012)、(2.002± 0.006)、(2.006±0.012)Gy。本平台在正常操作时，操作室受照剂量接近自然本底剂量;非正常操作时，在处方剂量为10 Gy、剂量率为600 MU/min的情况下工作，距模体10、20、30、50、100、200 cm位置及加速器迷路内的辐照剂量分别为(0.055±0.002)、(0.032±0.002)、(0.023±0.002)、(0.016±0.001)、(0.006±0.001)、(0.004±0.001)、(0.002± 0.001)Gy。结论该平台具有高剂量精度、高辐射场均匀性、剂量率灵活可调的特点，并具有极高的安全性，能够满足绝大多数科研的要求。

辐照平台;电离辐射

Med J PUMCH，2016，7(6):421－425

电离辐射是能引起物质从原子、分子或其他束缚状态放出一个或几个电子的辐射，其特点是射线波长短、频率高、能量高。电离辐射在医学及生命科学领域有广泛而重要的用途。它能够杀灭肿瘤细胞、诱发染色体突变、抑制细胞增殖、降低细胞致敏性等，在临床和基础研究中意义重大，是开展很多研究必不可少的技术手段。

目前国内罕有为各项基础研究而设立的科研辐照平台，科研辐照任务主要借用基于60钴的工业辐照平台完成。工业辐照平台的设计主要以药品灭菌、食品保鲜等为目的，要求辐照强度大、范围广、成本低，以期快速、大量、低成本完成辐照任务，而对于辐照精度、辐射场均匀性、剂量率精度等因素考虑不足。因此利用工业辐照平台进行科学研究可有剂量不准确、不均匀、剂量率不可控等风险，对研究结果可能会带来不可预知的影响甚至导致研究失败。并且60钴为天然同位素，其每时每刻均以其固有规律发生衰变并对周围产生辐射，基于60钴的辐照平台具有潜在的放射事故风险［1］，一旦发生卡源等故障可能对研究者的健康造成损害。

因此，为满足研究者对于高精度辐照水平日益增长的需求，本研究拟设计一种基于医用直线加速器的高精度科研辐照平台，该平台应具有高精度、辐射场高均匀性、剂量率可调节的特点;同时要安全可靠，保护研究者的健康;简便易操作，便于不具备放射物理学基础的研究者开展研究工作。

材料和方法

辐照模体的设计及制作

根据目前科研工作中常用的培养皿尺寸及加速器参数，本研究设计辐照模体如下:该模体拟放置直径约9 cm培养皿9只;正面为正方形，边长40 cm，厚1 cm;其上有3×3个圆形平底凹槽，每个凹槽直径约9 cm，相邻凹槽圆心相距11 cm，凹槽深0.4 cm;模体4角各有1个圆形支柱，直径0.5 cm，高2 cm，距相邻边界0.5 cm(图1)。模体制作完毕后使用直尺测量出其几何中心位置并作十字线标记。

图1 辐照模体示意图A.正面;B.侧面

辐照源的选择及平台参数设置

辐照源选择:选择美国瓦里安公司生产的Trilogy医用直线加速器作为本研究辐照源。

参数设置:设置加速器治疗床转角为0度，高度至等中心平面。将培养皿中放入定量的水(10 ml)，将培养皿放入模体。将模体平放于加速器治疗床上，利用激光灯在左右及进出方向上使模体中心与加速器等中心重合。设置加速器机头角度为180度，准直器角度为0度，铅门大小为40 cm×40 cm，多叶光栅为完全打开状态。

输出因子测量:按照国际原子能机构(International Atomic Energy Agency，IAEA)标准规程对金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)探测器作特性分析并总结校准系数，重点特性分析为MOSFET探测器的重复性(稳定性)、线性、角度响应、射野大小响应、源皮距响应、楔形射野响应和温度响应等［2-4］。将MOSFET探测器置于培养皿底部中央，按上述设置步骤调整参数，设置加速器机器跳数(machine unit，MU)为100，读取MOSFET探测器读数并记录。反复测量5次，计算平均值作为输出因子。

辐照场参数的测量

辐射场准确性及稳定性测量:

·不同剂量下辐射场的准确性及稳定性:将MOSFET探测器置于培养皿底部中央，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，计算各处方剂量所需MU。将剂量率设定为600 MU/min，分别测量处方剂量为0.5、1、2、5、10、20、50 Gy水平时辐射场实际剂量。连续测量5次，计算平均值及标准差。

·不同剂量率下辐射场的准确性及稳定性:将MOSFET探测器置于培养皿底部中央，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，设定处方剂量为2 Gy，计算处方剂量所需MU。分别设置剂量率为100、200、300、600、1000 MU/min，测量以上水平下辐射场实际剂量。连续测量5次，计算平均值及标准差。

辐射场均匀性测量:

·同一培养皿内的辐射场均匀性:将免冲洗调强验证胶片裁剪为与培养皿尺寸一致的圆形，并将其置于培养皿底部，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，设定处方剂量为2 Gy，计算处方剂量所需MU，并进行辐照。使用胶片扫描仪测量验证胶片读数。

·不同培养皿间的辐射场均匀性:分别将MOSFET探测器置于模板中央及边缘各培养皿底部中央，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，设定处方剂量为2 Gy，计算处方剂量所需MU，并进行辐照。同时测量各MOSFET探测器读数，连续测量5次，计算各MOSFET探测器读数差值的平均值及标准差。

安全性的测量

正常操作下系统安全性测量:

·直接测量加速器控制室内辐射水平:将MOSFET探测器置于加速器控制室内，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，设定处方剂量为10 Gy，剂量率为600 MU/min，计算处方剂量所需MU，并进行辐照。读取MOSFET探测器读数。

·间接估算加速器控制室内辐射水平:估算该加速器每日MU。选取3名长期在加速器控制室工作的放疗技师，统计其个人剂量检测仪每季度读数。利用以上数据估算本平台对加速器控制室内人员产生的影响。

非正常操作下系统安全性测量:将MOSFET探测器分别置于距模体10、20、30、50、100、200 cm位置及加速器迷路内，按上述步骤调整参数。利用测得的输出因子，设定处方剂量为10 Gy，剂量率为600 MU/min，计算处方剂量所需MU，并进行辐照。计算各MOSFET探测器读数的平均值及标准差。

结果

输出因子测量

本平台输出因子5次测量值分别为1.011、0.993、0.997、0.998、1.004，计算平均值为1.006。

不同剂量下辐射场的准确性及稳定性

本平台在剂量率为600 MU/min，处方剂量为0.5、1、2、5、10、20、50 Gy水平时，辐射场实际剂量分别为(0.498±0.004)、(1.005±0.010)、(1.999±0.015)、(5.023±0.042)、(10.026±0.125)、(20.068±0.207)、(49.664±2.278)Gy(表1)。

表1 不同剂量下辐射场实际剂量(Gy)

不同剂量率下辐射场的准确性及稳定性

本平台在处方剂量为2 Gy，剂量率分别为100、200、300、600、1000 MU/min水平时，辐射场实际剂量分别为(1.998±0.019)、(2.000±0.013)、(2.000±0.011)、(2.004±0.012)、(2.002± 0.015)Gy(表2)。

表2 不同剂量率下辐射场实际剂量(Gy)

同一培养皿内的辐射场均匀性

本平台在处方剂量为2 Gy，剂量率为600 MU/min水平时，同一培养皿内最大剂量点与最小剂量点的剂量差值为0.05 Gy。

不同培养皿间的辐射场均匀性

本平台在处方剂量为2 Gy、剂量率为600 MU/min水平时，中央培养皿、侧边培养皿及边角培养皿辐射场实际剂量分别为(2.005±0.012)、(2.002±0.006)、(2.006±0.012)Gy(表3)。

表3 不同位置培养皿辐射场实际剂量(Gy)

正常操作下系统安全性数据

本平台工作时控制室辐射剂量小于0.001 μSv/min，低于探测器最小量程。于加速器控制室工作的3名放疗技师，每日工作超过8 h，室内累计辐照处方剂量大于400 Gy/d，所有3名技师3个月累计接受辐射剂量均为34 μSv，与北京市自然本底辐射剂量无差别。

非正常操作下系统安全性数据

本平台在处方剂量为10 Gy、剂量率为600 MU/min的情况下工作时，距模体10、20、30、50、100、200 cm位置及加速器迷路内的辐照剂量分别为(0.055± 0.002)、(0.032±0.002)、(0.023±0.002)、(0.016± 0.001)、(0.006±0.001)、(0.004±0.001)、(0.002± 0.001)Gy(表4)。

表4 距模体不同距离辐射场实际剂量(Gy)

讨论

电离辐射是开展多项临床和基础研究必不可少的技术手段，但目前国内仍罕有针对科研而设计的辐照平台，科研辐照多借用工业辐照平台来完成。工业辐照平台具有辐射场强、辐射范围大、成本较低廉等优点，但同时其剂量精度低、辐射场均匀性差、剂量率调节困难等缺点也使其在科研中的应用受到限制，并且工业平台的安全性远低于医用加速器，一旦发生放射性事故往往造成巨大损失。本研究建立了基于医用直线加速器的高剂量精度、高辐射场均匀性、剂量率灵活可调的科研辐照平台，并对其安全性进行了评价。

本研究建立的科研辐照平台剂量精度高。研究中主要验证了0.5～50 Gy之间剂量的精准度，该范围基本涵盖了大部分科研所需的剂量范围，50 Gy以上的剂量有可能对加速器寿命产生影响。在0.5～20 Gy之间，本平台有极高的剂量精准性，平均剂量偏差在2%以内;而在50 Gy水平精准性有所下降，约为3%～5%，推测可能与加速器过热导致输出剂量不稳定有关。因此笔者推荐辐射剂量在0.5～20 Gy之间的研究方案选用本平台，21～50 Gy之间的研究方案应进行谨慎评估，超过50 Gy的剂量不推荐使用本平台。

剂量率是辐射场的重要参数，相同剂量、不同剂量率的辐射会产生不一样的生物效应［5］，从而对研究造成影响。现有的绝大多数辐照平台剂量率均不可调节或调节方式极为复杂。本平台能够非常简便地调节剂量率，支持的剂量率调节范围为1～10 Gy/min，在该范围内剂量率可以1 Gy/min为最小调节单位任意调节。本研究未发现不同剂量率对剂量精度有影响。

辐射场的均匀性是评价辐照平台优劣的重要指标，现有的绝大多数工业辐照平台均匀性都差强人意。本研究中，每个培养皿中各测量点剂量与处方剂量偏差均不超过3%，均匀性能够满足绝大多数研究要求。为了提高平台使用效率，研究者针对目前常用的培养皿设计了模体，培养皿模体可以同时对9个标本进行辐照。本研究测得标本位于不同位置的培养皿时，其所受剂量与处方剂量偏差均不超过3%。

科研辐照平台必须保证安全性。本平台为隔室操作，且制定了完整的操作规程，以确保其安全性。在正常操作的情况下，本平台对研究者/工作人员的辐射剂量与自然环境中的本底辐射剂量相当［6］，对研究者/工作人员的健康几乎无影响。但几乎所有的放射事故都是在非正常操作的情况下发生的，且工业辐照平台发生事故的概率较高，因此本研究也对本平台在非正常操作情况下的安全性进行了评估。由于加速器机头及治疗床的空间位置所限，研究者/工作人员基本不可能直接暴露于射线直射方向，通常研究者/工作人员可能会位于距模体20～100 cm的区域。本研究表明在该区域内，研究者/工作人员可能会受到约30～60 mSv的辐射暴露，大致相当于1～2次全身CT检查的剂量［7］。因此，本平台在非正常操作情况下也能最大限度地保护研究者/工作人员的安全，避免重大放射事故的发生。

综上，本研究建立了基于医用加速器的科研辐照平台，并对其主要参数进行了评价。测量结果表明该平台具有高剂量精度、高辐射场均匀性、剂量率灵活可调的特点，并具有极高的安全性，能够满足绝大多数科研的要求。

［1］马永忠，娄云，万玲，等．北京地区放射事故风险评估与控制［J］．中国工业医学杂志，2010，23:177-180．

［2］刘峡，邱杰，杨波，等．MOSFET探测器在放射治疗临床实时剂量监测中的应用研究［J］．中华肿瘤防治杂志，2011，18:616-619．

［3］Carvajal MA，Simancas F，Guirado D，et al．A compact and low cost dosimetry system based on MOSFET for in vivo radiotherapy［J］．Sensors and Actuators A:Physical，2012，182: 146-152．

［4］Sors A，Cassol E，Latorzeff I，et al．An optimized calibration method for surface measurements with MOSFETs in shapedbeam radiosurgery［J］．Phys Med，2014，30:10-17．

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［6］田崇彬，楚彩芳，杨均芳．职业性外照射个人剂量监测中本底扣除方法探讨［J］．中国辐射卫生，2008，17: 421-422．

［7］李纬，朱绍成，秦虹，等．常见扫描部位CT辐射剂量控制方法探讨［J］．中国辐射卫生，2011，20:212-213．

Establishment of High-precision Irradiation Platform for Scientific Research and Measurement of Radiation Field

LIU Zhi-kai，LIU Xia，ZHANG Fu-quan
Department of Radiotherapy，Peking Union Medical College Hospital，Chinese Academy of Medical Sciences＆Peking Union Medical College，Beijing 100730，China

ZHANG Fu-quanTel:010-69155485，E-mail:zhangfuquan3@sina．com

ObjectiveTo establish high-precision irradiation platform for scientific research based on medical accelerator and to evaluate its performance．MethodsPhantoms were designed referring to the petri dish commonly used in basic medical research．Irradiation platform was built on the phantoms and parameters of medical accelerator were set for the platform．Parameters for precision，stability，uniformity，and security were measured to evaluate performance of the platform．ResultsUnder the dose rate of 600 MU/minute，and when the prescription dose was between 0.5 Gy and 20 Gy，the mean dose deviation of the platform was within 2%．The mean dose deviation rose to 3%to 5%when the prescription dose was 50 Gy．Under the conditions of prescription dose being 2 Gy，and dose rate being 100，200，300，600，and 1000 MU/minute，the mean dose deviation was within 2%．The difference between maximum and minimum dose of a petri dish was 0.05 Gy under the condition of 600 MU/minute dose rate and 2 Gy prescription dose;while the doses of central，side，and corner petri dishes were(2.005±0.012)，(2.002±0.006)，and(2.006±0.012)Gy under the same condition．The doses in the operation room were close to the natural background doses when this platform was in normal operating state．When the platform was in abnormal operating state，under the condition of 600 MU/minute dose rate and 10 Gy prescription dose，the doses in position 10，20，30，50，100，and 200 cm from the phantom and within mazes of the accelerator room were(0.055±0.002)，(0.032±0.002)，(0.023±0.002)，(0.016± 0.001)，(0.006±0.001)，(0.004±0.001)，and(0.002±0.001)Gy，respectively．ConclusionsThe platform can meet the requirements of most scientific researches with its high dose accuracy，high radiation field uniformity，adjustable dose rate，and high safety．

irradiation platform;ionizing radiation

张福泉电话:010-69155485，E-mail:zhangfuquan3@sina．com

R312

A

1674-9081(2016)06-0421-05

10.3969/j.issn.1674-9081.2016.06.004

2015-05-04)