质子束布拉格峰测量

王菲菲，高 飞，丁雨阳，王子业，王子琳，刘佳瑞

（中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，中核核工业计量与测试技术重点实验室，北京102413）

1 引言

恶性肿瘤在我国乃至全球都有着极高的发病率与死亡率，放射治疗已成为治疗癌症的主要手段之一。质子束的典型深度-剂量分布包括一个剂量随深度缓慢增加的区域，称为“坪区”，以及一个剂量迅速上升到最大值的区域，称为“布拉格峰”，不同能量质子束在水中的深度-剂量分布曲线如图1所示。由于质子治疗独特的布拉格峰，可以将相对均匀的剂量输送到要治疗的体积上，在对肿瘤进行精准治疗的同时，减少对周围正常组织的辐射损伤，质子治疗已成为放射治疗领域重要发展趋势之一。国内外已开展质子束水吸收剂量测量研究，美国国家标准与技术研究院（NIST）基于量热法研制水量热计，并利用水量热计开展质子束水吸收剂量绝对测量研究［1］，国内外质子治疗中常利用电离室配合三位水箱开展质子束布拉格峰测量［2］。目前，国内尚未建立质子束辐射质测量标准，无法验证质子治疗TPS（Radiation Therapy Treatment Planning System，放疗计划系统）中质子束布拉格峰等参数，因此精准测量质子束流布拉格峰位及峰宽对于确保质子治疗领域中精准治疗，减少辐射损伤有重要意义。

图1 质子束在水中深度-剂量分布模拟曲线图Fig.1 Graph of simulation percentage depth dose curve of proton beam in water

2 质子束布拉格峰测量

2.1 测量原理及设备

基于100 MeV 回旋加速器，开展质子束布拉格峰测量，测量原理及方法参考IAEA TRS-398 号报告（以下简称“398 号报告”）［3］。398 号报告中给出了能量在（50～250）MeV 之间的质子束水吸收剂量相对测量设备及方法，并将测得的水吸收剂量溯源至60Co水吸收剂量，质子束水吸收剂量计算公式如式（1）：

式中：MQ——电离室读数，c；ND，w，Q0——电离室在60Co参考辐射质下的校准因子，Gy／c；kQ，Q0——电离室在质子束下及60Co 参考辐射质下的响应修正因子。

理想情况下，kQ，Q0应通过直接测量质子束和60Co辐照下水吸收剂量并比值得到。但由于目前尚无质子束水吸收剂量测量标准。因此，398 号报告中给出的质子束kQ，Q0值为通过计算得出，30013 指型电离室在不同质子辐射质下的响应修正因子如表1所示。表1 中Rres为质子束剩余射程，为表征质子束不同辐射质的参数［3］。

表1 30013 电离室在不同辐射质质子束下的水吸收剂量响应修正因子Tab.1 Correction factor of absorbed dose response of water in 30013 ionization chamber under proton beams of different radiation quality

在此只针对质子束布拉格峰，即质子相对深度-剂量分布曲线进行测量。后续可利用式（1）及表1 中响应修正因子开展质子束水吸收剂量测量。由于质子等重带电粒子与物质相互作用，其能量损失的主要方式是与物质靶原子的核外电子的非弹性碰撞而导致电子被电离或激发，基于空腔理论，通过测量质子与空腔室壁材料相互作用产生的电离电流，从而得到水中不同深度处的质子束布拉格峰曲线［4］。参考398 号报告，选择指型电离室开展布拉格峰测量实验。考虑电离室长期稳定性，选择空腔电离室，电离室外径应不超过峰宽的一半［3］。综上，选择PTW-30013 指型电离室测量布拉格峰，电离室防水，空腔室壁材料为石墨，内部填充空气，空腔半径为3.5 mm［5］。

398 号报告中建议用水作为参考介质来测定质子束的辐射质和吸收剂量［3］，体模的横向尺寸（长和宽）应比测量点处辐射野四边向外扩展5 cm，并超出最大测量深度至少5 g·cm-2。本次测量的质子束流为准直束，辐射野半径约为25 mm，测量深度约为（0～30）mm。选择PTW MP3-P 三维扫描水箱配合指型电离室测量布拉格峰，水箱由PMMA 材料制成，水箱内部尺寸为（448 ×480 ×350）mm，可包含辐射野，且满足测量深度的要求。水箱入射窗尺寸为（250 ×250）mm，厚度为5 mm。该水箱配置步进电机，可在三维方向进行步长为0.1 mm 的移动，满足布拉格峰测量要求［6］。

2.2 测量软件及功能

利用MEPHYSTO Navigator 软件配合PTW-30013 指型电离室及MP3-P 三维扫描水箱测量质子束布拉格峰。该软件可用于控制MP3-P 三维扫描水箱，并可自动测量和评估射束的相对和绝对剂量分布。

在相对剂量测量模块的3 维水箱扫描功能中包含3 维水箱剂量扫描、束流中心检测、探测器3 维定位功能。其中水箱扫描功能用于控制水箱内探测器测量及测量数据的图形表示、计算、存储及调用功能等。在该功能页面中包含照射装置及测量两个选项卡，在照射装置选项卡中可对照射装置名称、编号、粒子种类、能量、入射角度、射野范围等参数进行记录及设置，便于后续测量及数据分析。

在测量选项卡中可对使用的静电计及探测器进行选择，在探测器选择页面可自定义校准因子。测量时可手动选择测量时间。在下拉列表框中可选择测量模式，根据所选模式不同及已输入照射装置基本信息对电离室测量移动路线规划，模式包含百分深度剂量（配合使用监督电离室）及剖面剂量分布（PDD and Profiles）测量、沿束流方向剂量分布（plane parallel to central beam）测量、垂直束流方向剂量分布测量（plane perpendicular to central beam）等模式。其中点（points）测量模式，可手动输入多个待测点的三维坐标，测量时电离室可依次移动到待测点进行测量。在水箱测量功能设置中可对探测器移动的速度、步长及停留测量时间进行设置［7］。

开始测量后，电离室测量时读出电信号应通过低噪声电缆传至静电计进行剂量读出，并通过数据线连接静电计及计算机终端进行后续数据处理。软件提供多个数据接口，可与多个电离室（24 路信号）进行数据交换及分析。测量完成后处理软件对剂量曲线进行绘制，绘图类型包含剖面剂量分布图、百分深度剂量分布图、等剂量分布图、三维剂量分布图及任意扫描形式曲线［8］。

2.3 数据处理及分析

在该软件相对测量功能中选择三维水箱扫描，扫描类型为百分深度剂量曲线（Percentage Depth Dose，PDD），百分深度剂量指体模内射束中心轴上某一深度处的吸收剂量与参考深度处吸收剂量之比的百分数。在测量页面中输入源皮距、测量点深度坐标、单点测量时间等参数。本次布拉格峰测量实验选择的质子束流能量约为100 MeV，后续可利用TPS 软件计算布拉格峰相关参数，并与本工作中测得的参数比对，可以质子治疗质量保障技术提供基础。

本次测量中水箱置于移动支架上。质子束流平行于地面垂直水箱入射窗照射，出束端距水箱前表130 cm，束流轴线与水箱轴线重合，辐射野内无金属支架，避免金属活化散射等影响。水箱内有三维移动滑块受步进电机驱动，电离室末端金属杆通过支架固定在滑块上，电离室轴向垂直于地面。电离室参考点为轴线上距尖端13 mm 处，该点与辐射野中心重合。实验室布局示意图，如图2所示。同一条件下开展3 次百分深度剂量测量，坐标及相应点处的相对剂量如表2所示。

图2 质子束布拉格峰测量实验布局示意图Fig.2 Schematic diagram of proton beam Bragg peak measurement experiment

表2 质子束布拉格峰测量Tab.2 Proton beam Bragg peak measurement

完成数据测量后，利用MEPHYSTO Navigator 软件数据分析功能，计算质子束流布拉格峰位、参考深度、峰宽、实际射程及剩余射程等参数。其中，扩展布拉格峰指的是最高剂量的95 %的区域，参考深度则位于扩展布拉格峰中心。以相对剂量最高点处为参考深度，以最高剂量为归一点，求得水箱内射束中心轴上的百分深度剂量，并绘制相应曲线，百分深度剂量曲线结果如图3所示，曲线分析结果如表3所示。

表3 三次测量质子百分深度剂量曲线分析表Tab.3 Analysis of percentage depth dose curve of proton beam for three measurements（单位：mm）

图3 质子束百分深度剂量曲线图Fig.3 Graph of percentage depth dose curve of proton beam

由表3 可知，三次测量扩展布拉格峰宽平均值为1.21 mm，参考深度平均值为43.63 mm。

3 结束语

基于100 MeV 回旋加速器质子束流，参考398号报告开展了质子束百分深度剂量曲线测量，得到该质子束流布拉格峰位、峰宽、实际射程及剩余射程等辐射质参数。本工作对于在国内建立质子束辐射质测量标准，验证质子治疗TPS 中质子束布拉格峰等参数，确保质子治疗精准治疗，减少辐射损伤提供了重要基础。后续可参考398 号报告中相对测量方法测量质子束水吸收剂量，并利用报告中各电离室响应修正因子将剂量溯源至60Co 下水吸收剂量，对于填补国内质子束水吸收剂量量值传递标准空白，及质子治疗精准治疗具有重要意义。