医用电子束水吸收剂量测量及其不确定度讨论

王志鹏, 王 坤, 金孙均, 杨小元, 齐雅平, 黄 骥, 刘福斌

(中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

水吸收剂量作为放疗剂量的处方剂量,是临床参考剂量测量的关键物理量,同时也是电离辐射计量领域中参与国际关键比对的量值之一。作为国家最高计量科学研究中心和国家级法定计量机构的中国计量科学研究院(NIM)分别于2016年和2021年参与了国际计量局(BIPM)组织的加速器光子束水吸收剂量(BIPM.RI(I)-K6)和60Co水吸收剂量(BIPM.RI(I)-K4)的关键比对工作,结果均取得国际等效互认并在BIPM关键比对数据库中发布[1]。

水量热计作为水吸收剂量直接测量且不确定度最小的关键计量设备,主要适用于基标准开发,实现对次级以及工作级剂量计的校准。NIM于2013年与加拿大国家研究院(National Research Council of Canada,NRC)合作研究用于辐射剂量测量的水量热计,并于2017年自主设计并研制了首套热敏探针、量热芯容器、准绝热水模体和交流电桥系统,实现了水量热计关键技术的自主化。随后研制的二代水量热计提升了辐射温升测量的灵敏度,扩展了适用的射线能量和种类,其中水量热计加速器光子水吸收剂量测量装置于2021年获批为国家计量基准[2,3]。

在光子束方面,目前NIM已经完成了60Co至25 MV水吸收剂量的直接测量,测量不确定度优于0.30%(k=1);在电子束方面,实现了8～22 MeV放疗电子束的直接测量[4],测量不确定度优于0.35%(k=1),8 MeV以下模拟计算出相对于射线质R50为7.5 g/cm2的能量转换因子,实现溯源至电子束水吸收剂量校准因子的较小不确定度测量;在质子和重离子方面,研制了相应的水量热计,分别在河北一洲肿瘤医院和中国原子能院开展笔形扫描束和散射束质子束的辐射温升实验,初步验证了水量热法测量的可行性并与电离室测量结果进行比较,一致性好于1.5%。

为了更好地服务于医用电子束放疗剂量测量,满足国际原子能机构(IAEA)对外照射放疗设备输出剂量测量不确定度好于2%的技术要求[5,6],本文分析了剂量计使用校准因子(照射量、空气比释动能和水吸收剂量)测量水吸收剂量的注意事项和不确定度比较。

在国内除NIM研制了水量热计,仅有少数计量机构或单位开展了水吸收剂量的直接测量,其中中国测试技术研究院的水量热计主要用于开展60Co水吸收剂量测量以及相应的量值传递工作,NIM协助中国原子能科学研究院研制的质子束水量热计主要用于质子束研究。仅有NIM开展水量热法直接测量医用电子束水吸收剂量,目前已具备直接测量能力,并针对有需要客户开展校准工作。

本文结合NIM水量热计在电子束水吸收剂量测量研究的最新成果,给出用户需求的特定能量的电子束水吸收剂量校准因子;或参考IAEA TRS-398[7]给出射线质R50为7.5 g/cm2的水吸收剂量校准因子,并结合电离室型号给出相应的能量转换因子。通过比较剂量计使用不同校准因子测量电子束水吸收剂量的不确定度和操作难以程度,给出使用建议和注意事项。

2 电子束水吸收剂量测量方法

电子束水吸收剂量测量均指采用剂量仪(又称治疗水平剂量仪),根据探测器读数MQ、校准系数cD和校准因子至水吸收剂量的修正(又称转换)因子fw,D,由式(1)计算水吸收剂量Dw,Q

Dw,Q=MQ·cD·fw,D

(1)

式中MQ表示剂量计在待测电子束中修正后的读数,对于典型的电离室剂量计主要包括极化效应Ppol、离子复合效应Ps、静电计修正Pelec(国内通常静电计与电离室一起校准,该项修正值为1.000)、测量深度处横向剂量分布不均匀修正Pdd、和空气密度修正PTP,由式(2)计算电离室剂量计修正后读数

MQ=Mraw·Ppol·Ps·Pelec·Pdd·PTP

(2)

而校准系数cD主要根据当前的计量水平,在电离室的校准系数中主要包括照射量校准系数NX、空气比释动能校准系数NK和水吸收剂量校准系数ND。水吸收剂量转换因子fw,D,对相应的校准系数进行修正,实现从实验室校准系数到用户水吸收剂量测量系数的转变。

2.1 基于照射量校准系数的测量

基于剂量计的照射量校准系数测量电子束水吸收剂量是国内现行JJG 589—2008《医用电子加速器辐射源检定规程》的指导方法[8],也是IAEA在上世纪九十年代发布的外照射光子束和电子束水吸收剂量测量推荐方案(TRS-277)[9],然而这些测量规程的编制受到辐射剂量初级实验室测量能力的限制。

根据JJG 589—2008知,采用已知照射量校准系数的剂量计,电子束水吸收剂量由式(3)计算

Dw,Q=MQ·NX·(W/e)·Katt·Km·Sw,air·Pu·Pcel

(3)

式中:(W/e)为空气中电离一对离子所需的平均能量,W/e=33.97 eV,根据ICRU (the international commission on radiation units and measurements) 于2016发布的90号报告[10]指出该值的不确定度应由0.15%增大至0.35%;Katt修正电离室壁(包含平衡帽)在校准时相对于60Co γ射线的衰减(吸收和散射);Km修正电离室壁及平衡帽在校准射束中的非空气等效;Sw,air为测量深度处水对空气的平均组织本领比;Pu修正电离室壁对辐射场的扰动;Pcel修正中心极的空气非等效性。

2.2 基于空气比释动能校准系数的测量

与照射量校准系数一样,空气比释动能校准系数也是国内现行JJG 589—2008的指导方法,电子束水吸收剂量由式(4)计算

Dw,Q=MQ·NK·(1-g)·Katt·Km·Sw,air·Pu·Pcel

(4)

式中g为次级电子消耗于韧致辐射的能量占初始能量的份额,目前取g=0.003。

根据ICRU对辐射物理量的定义知,空气比释动能表征的是非带电粒子(X射线、γ射线及中子)在任意单位质量的介质中电离释放的全部带电粒子初始动能之和。较仅适用于X和γ射线对空气电离能力的照射量而言,空气比释动能既扩展了辐射类型也扩展了适用的介质种类;然而并不适用于带有一个负电荷的电子束,也不能真正表征电子束被水所吸收的能量。当前采用电离室剂量计的空气比释动能校准系数或照射量校准系数,测量医用电子束的水吸收剂量仅仅是数值相当,辐射计量标准落后的妥协方案,根据IAEA TRS-277号剂量测量规程其不确定度高达3.7%,已很难满足当前精准放疗剂量测量需求。

2.3 基于水吸收剂量校准系数的测量

随着放射剂量学的发展,ICRU于1954年定义了吸收剂量以表征任意可产生电离的辐射(X射线、γ射线、中子、电子、质子和重离子等),在任何单位质量的介质中所沉积(或被单位质量的介质所吸收)的能量[11]。在放疗治疗领域,由于人体约90%是水,水吸收剂量也逐渐成为放疗的处方剂量,是电子束放疗质控的关键物理量。然而,常规的单次放疗剂量约2 Gy,对应的可用于直接表征水吸收剂量的辐射温升仅为0.5 mK,通过测量辐射温升直接测定水吸收剂量成为世界级测量难题。幸运的是随着热敏电阻的更新换代,和热损、热对流和热传导等物理过程的深入探讨,国际上少数发达国家的初级标准实验室于2000年前后建立了基于量热法的60Co水吸收剂量标准。

IAEA TRS-398号剂量测量规程正式采用,并推广和鼓励更多国家建立水吸收剂量标准,通过传递电离室剂量计的水吸剂量校准系数,将放疗用电子束水吸收剂量的测量不确定度由3.7%,降低至1.6%(圆柱形电离室剂量计)和2.1%(平板形电离室剂量计)。

如引言所述,我国结合自身发展需求,建立了水吸收剂量标准,并参考IAEA TRS-398号报告于2019发布并实施了JJF 1743—2019《放射治疗用电离室剂量计水吸收剂量校准规范》[12]。目前针对医用电子束,NIM可以提供3种水吸收剂量校准系数的校准服务。

2.3.1 基于60Co γ射线的水吸收剂量校准系数的测量

用在60Co γ射线的水吸收剂量标准校准的电离室剂量计,在用户电子束辐射场中测量其水吸收剂量,由式(5)计算其水吸收剂量值

Dw,Q=MQ·ND,w,60Co·kQ,60Co

(5)

式中:ND,w,60Co为电离室剂量计在60Co水吸收剂量参考辐射中测量的校准系数;kQ,60Co修正水吸收剂量校准系数从60Co参考辐射场转换为用户射线质Q,60Co通常可以省略,即式(5)可简写为Dw,Q=MQ·ND,w·kQ。

与式(3)和式(4)比较,水吸收剂量的影响量明显减少,用户使用时仅需要参考文献或厂家提供的绝对剂量测量说明书查找待测射线质Q(电子束用R50值表示射线质)对应的kQ值即可。

2.3.2 基于特定电子束(R50=7.5 g/cm2)水吸收剂量校准系数的测量

与60Co γ射线的水吸收剂量校准系数类似的,NIM已完成了电子束水吸收剂量标准的研究,可以直接在NIM的电子直线加速参考辐射场校准电离室剂量计,并给出R50=7.5 g/cm2的吸收剂量校准系数ND,w,7.5,此时待测射线质为Q的电子束水吸收剂量由式(6)计算

Dw,Q=MQ·ND,w,7.5·kQ,7.5

(6)

类似的kQ,7.5修正校准系数ND,w,7.5至待测射线质Q,其值可以在IAEA TRS-398,美国医学物理学会(AAPM)TG-51号报告[13]以及诸多文献查找[4,14～18]。与式(5)的主要区别是实现了同质溯源,在确保水吸收剂量校准系数不确定度基本一致的条件下,显著降低射线质转换系数的不确定度,以进一步提高测量精度。同时kQ,7.5值较电子束的kQ值更接近1(辐射类型相同,修正值更小)。典型的对于PTW Roos型平板电离室剂量计在能量为15～22 MeV的电子束中其值kQ,7.5值为1.014～0.995,其kQ值为0.913～0.896。即使用户测试时由于疏忽漏用了能量转换因子,采用同质溯源的ND,w,7.5比溯源至60Co水吸收剂量校准系数的ND,w产生的剂量误差也小得多。

2.3.3 基于待测电子束水吸收剂量校准系数的测量

几乎不可能在待测电子束中直接校准用户电离室剂量计,幸运的是NIM具备4、6、8、10、12、15、18、20和22 MeV共9档电子束,射线质R50为1.60～8.97 cm,基本可以覆盖大部分放疗电子束的校准需求。尽管相同标称能量的NIM电子束与用户待测电子束能谱可能存在差异,根据Burns研究知[19],测量深度zref取为(0.6R50～0.1)时可忽略能谱差异对水吸收剂量的影响。因此用户可以结合待测电子束的R50值提出校准需要。NIM选择R50值最接近的电子束对其进行校准,并结合较小的射线质差异,直接给出待测电子束水吸收剂量校准系数ND,w,Q,此时水吸收剂量由式(7)给出

Dw,Q=MQ·ND,w,Q

(7)

显然式(7)较式(3)、式(4)、式(5)和式(6)的影响量最少,用户只需要关注MQ的测量,既可以节省临床测量时间,又可以提高测量精度。该方法适用于只有3档及以内的电子束用户。

3 实验及注意事项

临床电子束水吸收剂量测量推荐的方法是在水中测量,因此无论用户采用哪种水吸收剂量校准系数均需要在水或水等效材料中测量。

通常校准实验室在给用户电离室剂量计校准系数时,均按照电离室标称的灵敏体积中心点进行量值传递。对于圆柱形电离室,电离室在空气中依据照射量和空气比释动能校准系数测量照射量和空气比释动能值时,其灵敏体积大小不会对测量结果产生影响。然而,如果在水或水等效材料中测量时,电离室会依据其灵敏体积半径产生有效测量点前移效应,尽管文献中给出了0.5rcav(rcav为电离室灵敏体积半径)的推荐值,实际上部分研究表明该值还与电离室型号、中心极材料、尺寸以及壁材料等有关[20,21]。因此,基于照射量和空气比释动能校准系数的测量水吸收剂量还需要考虑有效测量点变化的影响。

对于采用水吸收剂量校准系数的测量,由于电离室在校准实验室和用户测量所用水或水等效材料中有效测量点位置并未发生变化,因此无论电离室有效测量点是否前移以及前移量是多少均可忽略其影响。用户仅在测量百分深度剂量曲线时关注有效测量点变化,也可以采用平板形或小体积电离室以最小化有效测量点变化对结果的影响。

因此,基于照射量和空气比释动能校准系数的电子束水吸收剂量测量需要考虑圆柱形电离室有效测量点前移的影响,通常在定位中直接前移0.5rcav。参考JJG 589—2008或IAEA TRS-398,基于照射量、空气比释动能或水吸收剂量校准系数的测量条件总结为表1所示。

表1 医用电子束水吸收剂量测量条件

如表1所示基于水吸收剂量校准系数的测量较照射量和空气比释动能校准系数的测量主要有3点优化:1) 电子束射线质表示方法,R50值不仅直接反映了电子束在水模体中的穿透性,还可以由此计算出平均能量或测量深度;2) 测量深度选取,依据R50值计算的测量深度可以最小化电子能谱差异的影响,更科学;3) 不用考虑有效测量点效应影响,使用更方便,测量结果更精确。

基于水吸收剂量校准系数的测量,对于电离室、测量模体以及辐射野的选择与照射量和空气比释动能基本一致,并没有本质区别,用户结合自己的实际选择合适方案即可。

然而,NIM对常用的3种型号平板形电离室水吸收剂量校准系数的长期稳定性研究发现,无论给平板形电离室哪种水吸收剂量校准系数,其半年的变化均超过0.5%,有些高达2%;而圆柱型号电离室的校准系数的相对变化量均在0.3%以内。幸运的是,比较发现平板形电离室的能量转换因子的相对变化量均在0.2%以内。实际上用户或校准实验室只需要在一个容易测量的电子束参考场中对电离室进行校准,再结合能量转换因子,即可覆盖多个能量电子束水吸收剂量测量的需求。

因此用户在选择平板型电离室还应考虑配备一支圆柱形电离室作为补充,以修正平板形电离室校准系数变化。

4 讨论及不确定度分析

如表2所示给出了平板形电离室测量医用电子束水吸收剂量的标准不确定度。不同的校准系数影响的仅在B类不确定度方面有所体现,用户实际需要测量的影响量主要是剂量计读数、离子复合效应和空气密度修正。采用水吸收剂量校准系数的优点是用户不用或者少量查找B类修正项,尤其是直接选择在加速器电子束辐射场校准,可以指定常用剂量率由校准实验室给出离子复合效应的参考值,不仅使得测量值的不确定度更小,还可以减少或消除离子复合效应的影响。

表2 平板形电离室测量医用电子束水吸收剂量的标准不确定度

由于圆柱形电离室在长期稳定性、定位安装和校准系数方面的不确定度略小于平板形电离室,而对于R50≥4 g/cm2(电子束标称能量≥10 MeV)采用圆柱形电离室测量时,其标准不确定度略优于平板形电离室。

由于水量热法很难直接给出能量低于8 MeV电子束的水吸收剂量,且电子束能量越小,其定位深度越浅,剂量梯度越大,测量难度越大,不确定度越大,因此很难直接给出高精度的水吸收剂量校准系数。结合现有研究结果,推荐用户采用ND,w,7.5校准系数和能量转换因子修正的测量方案。

根据NIM现有测量结果表明:平板形电离室的校准系数受到相对湿度影响更大,且校准系数的长期稳定性略差,该结果与文献结果一致[22]。建议用户使用平板电离室时,需要关注其校准系数的长期稳定性。

5 结 论

NIM现已经建立电子束水吸收剂量校准参考辐射场,并根据用户需求制定了3种水吸收剂量校准方案供用户选择,结合前期校准和用户使用情况总结为以下几点结论。

(1) 医用电子束水吸收剂量测量所用剂量计需要配置两支电离室,即一支平板形和一支圆柱形电离室。平板形探测器可以用于深度剂量分布测量,给出射线质R50值,也可以用于所有电子束绝对剂量测量。圆柱形电离室用于R50≥4 g/cm2电子束的绝对测量,并在任意可用圆柱形电离室的电子束对平板电离室进行交叉校准,校准周期建议为半年。在夏季或空气湿度较大时,需用圆柱形电离室对平板形电离室测量结果进行交叉验证。

(2) 圆柱形电离室测量电子束水吸收剂量时,采用照射量和空气比释动能校准系数需要考虑有效测量点前移;采用水吸收剂量校准系数无需再考虑有效测量点前移效应。

(3) NIM已经开始提供较为人性化水吸剂量校准需求,用户可以结合射线质、极化电压和剂量率等参数与NIM沟通。NIM给出最合适校准方案,可以提供特定剂量率下的离子复合修正值,还可以结合校准证书提供使用指导。