医用加速器输出剂量的测量与校准
发布时间：2017-11-22
引言
为保证医用加速器输出剂量量值的统一与准确度,使其量值溯源到国家基准,我国将医用加速器等辐射治疗源列为强制计量检定目录,并制定编号为JJG589-2001《外照射辐射治疗源》中华人民共和国计量检定规程(以下简称“规程”)[3],以便定期对医用加速器等辐射治疗源进行检定。
本文在此就如何正确使用电离室型剂量仪的校正因子(NX、NK和ND),以及作者根据“规程”,结合测量的实例对医用加速器吸收剂量测量与校准问题进行讨论。
1高能光子与电子束在水模体中的吸收剂量测定
1・1ND值的确定
在水模体中测量高能光子与电子束的吸收剂量之前,首先要确定电离室空腔内空气吸收剂量校准因子ND的值。要确定ND,第一步是将现场使用的治疗水平电离室型剂量计连同电离室一起送交国家级基准实验室(PSDL)或经国家质量监督检验检疫总局批准授权的次级标准实验室(SSDL),在60Coγ射线标准辐射场中将剂量仪读数M(div)与照射量的标准值Xs(C/kg)进行测量,即给出照射量校准因子Nx值:
我国辐射治疗学领域,习惯使用伦琴(R)作为照射量单位(1R=2・58×10-4C/kg),伦琴(R)属于被淘汰的非法定单位,考虑采用法定单位及使用习惯,目前,我们将校正因子变通为如下形式:
尽管在式(2)中没有出现非法定单位,通过校正因子(NX)修正后的测量结果,实际仍然相当于以伦琴(R)为单位的照射量单位,所以在使用校正因子(NX),并利用“规程”计算水吸收剂量时,一定将校正因子(NX)乘以2・58×10-4的系数。
第二步把照射量校准因子转化为吸收剂量校准因子,即:NX×(2・58×10-4)・W/e。W/e是在空气中形成一个电子电荷的每对离子消耗射线的平均能量,W/e=33・97J/c。第三步由于ND值与现场使用的电离室型号有关,即依赖于电离室的形状和电离室壁材料等,故应对Katt与KM值进行修正,Katt是校准电离室时,电离室壁及平衡帽对60Coγ射线的吸收和散射的修正;Km是电离室壁与平衡帽的材料对60Coγ射线空气等效不充分而引起的修正。Katt・Km可在“规程”表A2或其他相关参考书中查出。例如NEFARMER 2571型标称收集体积为0・6cm3的圆柱形电离室Katt・Km=0・985,则:
当PSDL或SSDL给出的不是照射量校准因子而是空气比释动能因子NK时,NK与NX可按下式互相转换:
式中,g是电离辐射产生的次级电子消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的份额。对于60Coγ射线,g=0・3%,对于光子最大能量小于300keV的X射线,g值可忽略不计。
1・2高能光子在水模体中的吸收剂量测量与计算
首先要通过测算高能光子在标准条件下即SSD= 100cm, 30cm×30cm×22cm水模内(NE2545/3A标准水模体或同类型产品)10cm×10cm射野中心轴上的剂量比(水深度为20cm与10cm的吸收剂量的比值,D20/D10)或定义为:源室距SCD=100cm,在电离室有效测量点所在的并与辐射束垂直的平面上射野10cm×10cm,在水深度为深度20cm与10cm的吸收剂量的比值]来确定水对空气的阻止本领比SW,air和扰动因子Pu及校准深度d的值[3]。
查出SW,air与校准深度d的数值,显然,这是最简单的一种方法。如D20/D10≈0・5,=0・68,SW,air=1・119,d=5cm。根据值和使用的电离室壁材料通过“规程”图A1,可确定扰动因子Pu的值,Pu=0・996,Pcel是对电离室中心电极的修正,当光子能量(hν)max≤25MeV时,对于中心电极为铝材料的2571电离室而言,Pcel=1・000(1AEA TRS277表XIX)。KTP是电离室空腔内空气密度的修正因子{为了量值统一,利用公式KTP=[(273・15+T)/(273・15+20)]・101・3/P将测量结果修正到20℃,101・3kPa条件下,T和P分别是测量室内电离室所在介质(如水)中的温度(℃)和气压(kPa)},则水中校准深度5cm处的吸收剂量为:
应该说明的是,在测量时,我们使用的圆柱形电离室的有效测量点并非在其几何中心上,对于加速器产生的高能光子与60Coγ射线,其有效测量点向射线入射方向移动0・6r,对于电子束移动0・5r[3],r为用户所使用电离室的内半径(如:2571型电离室的r=3・15mm)。也就是说对于6MVX射线,电离室的几何中心在水模体中校准深度5cm处进行测量,实际上相当于4・8cm(0・6r≈2mm)。因此,测量时,在保持SSD=100cm不变的情况下,应使水模体内的水表面在5cm的刻度线上增加2mm高度。
1・3电子束在水模体中的吸收剂量测量与计算
首先要确定被测定的电子束在水模体表面的平均能量,“规程”要求,当SSD=100cm,标称能量≤15MeV,射野面积不小于12cm×12cm和标称能量>15MeV,射野面积不小于20cm×20cm。在水模内,电离室有效测量点沿电子束轴移动,测出吸收剂量或电离半值深度(cm)分别以和表示,并根据测出的或通过“规程”表2找出与水模表面平均能量E0的对应关系,如11=3・8cm,则=9MeV.第二步根据可通过“规程”表7确定其校准深度,当校准深度如=9MeV,则校准深度d=1cm。这样可根据和d,通过“规程”表A6电子束的水对空气的阻止本领比SW,air,来确定电子实际射程RP与SW,air的值(注:规程仅给出2~20的SW,air与RP的值,在实际操作中如遇见>20情况,请参照IAEA277号报告相应表格数据进行)。如=9MeV,d=1cm,则SW,air=1・021,RP=4・52cm。第三步确定电子束扰动修正因子Pu。在确定Pu前,首先要按式(6)计算出水下1cm处的平均能量置
式中,z为水中校准深度,Z=d=1cm。根据现场使用的电离室的内半径(r=3・15mm)和Ez,通过“规程”表A7并用内插的方法确定Pu=0・971。对于中心电极(AL)半径为1mm的2571电离室,Pcel=1・015(“规程”表B2)。当使用12cm×12cm限光筒,则水中校准深度1cm处的吸收剂量为:
由于电离室有效测量点与几何中心相差0・5r(≈1・6mm),所以,与X射线一样,测量时,保持在SSD=100cm不变的情况下,应使水模体表面在1cm的刻度线上增加1・6mm。
2加速器的剂量校准
1・加速器产生的高能光子和电子束的吸收剂量的校准,通常在标称源皮距离SSD=100cm,水模体内10cm×10cm(对电子束,限光筒大小依能量而定)射野中心轴上最大剂量点处,用经PSDL或SS-DL校准的现场剂量计和电离室通过调节加速器剂量控制系统上的阈值电位器使加速器上的监督剂量仪的读数(监测单位)1 MU=1cCy。
例1:Varian 2100C电子直线加速器6MV X射线;NE Farmer 2570/1A剂量计和2571 0・6cm3电离室;NE2545/3A水模体;NX=1・019、T=25℃、P=100・8kPa、PDD(10cm)=66・3%、PDD(20cm):38・3%、PDD(4・8cm): 86・4% (以上PDD均为10cm×10cm射野条件下的测量数值)。要求在上述条件下,对加速器6MV X射线进行剂量校准。
由上文已知DW(5cm)=M・ND・SW,air・Pu・Pcel・KTP,其测算的结果是对于6MV X射线,加速器给出100MU,在SSD=100cm,水模内10cm×10cm射野中心轴上5cm处的吸收剂量。由于电离室几何中心与其有效测量点相差约2mm,则实际所测为4・8cm处的吸收剂量,按加速器的剂量校准要求是在标准条件下射野中心轴上最大剂量点处,那么,最大剂量点若为水下1・4cm则:
式中,测量室内的KTP=1・022,而88・1则是在上述特定条件下的常数,若把加速器校准为1MU=1cGy,方法有两种,一是用88・1除以1・022,即M=86・2,只要通过调节加速器有关剂量控制系统上的电位器使现插剂量计在水模内校准深度测得的读数M=86・2,即完成了对加速器的剂量校准。二是有些剂量计(如NE 2570/1型等剂量计)在其内部都设置了对温度、气压的校正功能,只要把测量室内的温度和气压输入到剂量计,即M=88・1,也就是说通过调节加速器有关剂量控制系统上的电位器使现场剂量计读数M=88・1,即完成了对加速器的剂量刻度。
例2:与例1的条件相同,对加速器产生的9MeV电子束进行剂量校准。PDD(8・4mm):88・5%。
对电子束,电离室的有效测量点向射线入射方向移动0・5r(≈1・66mm)。对于电离室有效测量点的校准方法有两种,一种是在保持源到水表面距离不变即SSD=100cm的条件下,把电离室几何中心在水模中校准深度1cm时的水表面增加1・6mm,它是利用目测的方法在水模的侧壁1cm的刻度线上,增高1・6mm,其准确性与重复性较差。另一种方法,当把电离室几何中心置于水模中校准深度1cm时,实际上,电离室有效测量点的测量深度为8・4mm,这样,我们只要把计算吸收剂量时,与测量深度有关的参数16、SW,air与Pu值按水中8・4mm深度时确定,然后,再将吸收剂量的测算结果除以水模内射野中心轴上8・4mm处的百分深度剂量PDD(8・4mm),即反算到最大剂量点的吸收剂量。当然,第1种方法也需要反算到最大剂量点,它不是除以PDD(8・4mm)而是PDD(1cm)。当10=9MeV,d=8・4mm,则SW,air=1・017,RP=4・52cm;那么该电子束在水中8・4mm的平均能量:
根据= 7・3MeV和2571电离室的内径r=3・15mm可确定Pu=0・872。则9MeV电子束在水中最大剂量点的吸收剂量为:
(a)式表示只要把测量室内的温度、气压输入到剂量计,然后,通过调节加速器上的有关电位器使剂量计的读数等于100・2,即完成了对加速器9MeV电子束1MU:1cGy的校准。而(b)式则必须计算出KTP值(如KTP=1・022)则用1・022去除100・2即M=98・04,它表示只要调节电位器使剂量计的读数M=98・04也就完成了对加速器的校准。医用加速器属于成熟定型产品,其输出剂量通常很稳定,为了保证其输出剂量的准确度及其治疗效果,对加速器日常检测是十分必要的,如实测cGy/MU关系相差大于3%时,需首先判断与检查测量用的剂量仪和电离室工作是否正常(如:用检验源进行检查),其次检查SSD、校准深度、射野尺寸及计算等是否正确,在上述条件都确定无误情况下,最后才对加速器用上述方法进行校准,并对校准条件详细记录。
2・根据胡逸民教授主编的(肿瘤放射物理学)要求,对加速器产生的所有能量的X射线与电子束均应每日或至少每周两次进行常规剂量监测,即在特定条件下,检查cGy/MU关系,允许精度为±2%[5]。对全年检测结果,精度不超过±1%的加速器亦可每周测量1次,对有些设置温度、气压校正功能的剂量计可采用作者设计的剂量测量记录单(2)或类似表格;对于不具有该功能的剂量计,或不使用这一功能的测量人员可使用剂量测量记录单(1)见表1、2。根据每季度或半年或1年记录的监测结果,绘制出直观的曲线图,提供给设备维修人员维修和保养加速器时作为参考。
3・常规剂量监测,对于加速器的常规剂量监测,国外综合医院的放疗部门或放疗中心,每天在肿瘤患者接受治疗前,都要进行吸收剂量的监测。为此,我们既要与国际接轨,保证患者接受辐射剂量的准确,同时又要使测量方法简便易行,用时较短。有条件的医院可使用固体水(如美国RMI的Slid WaterTM)等材料作为测量模体,也可用有机玻璃自制模体,面积30cm×30cm、厚度分别为1cm和2cm若干块,其中包括带有电离室插孔的2cm的有机玻璃1块,其电离室中心距有机玻璃模体表面1cm。首先按例1和例2的测算方法,在SSD=100cm和水模内10cm×10cm射野中心轴上最大剂量点处,使用经PSDL或SSDL校准过的剂量计和圆柱形电离室,通过调节加速器剂量控制系统上的有关电位器使1MU=1cGy。然后,移去水模体,将电离室插入有机玻璃模体中按不同射线及能量规定的校准深度和与在水模体中完全相同的辐射条件下进行测量,并记下各能量光以及电子束的测量结果(作为剂量计读数的标准值)。这样,每天早晨治疗病人前,只要在预热加速器和剂量计的同时,将电离室探头插入有机玻璃模体,做好一切测量准备工作并将当时室内气压、温度输入到剂量计,出束后将测量结果与初始的在有机玻璃模体中测量的剂量计读数的标准值进行比较,要求不得超过±2%。对于1台具有双光子和5档电子束的加速器,每天早晨的常规剂量监测,从开机预热到测量结束,一般使用时间不超过30min。
摘自：中国计量测控网
