閆學(xué)文，李 華，李德源，李 會，牛蒙青，喬 霈

(中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

輻射生物效應(yīng)取決于電離輻射在生物組織內(nèi)微觀尺度下沉積能量的分布以及由此而引起的復(fù)雜生物學(xué)過程，其本質(zhì)可以歸結(jié)為兩類最為基本的作用機制：(1)電離組織細(xì)胞的DNA分子或關(guān)鍵部件導(dǎo)致直接損壞組織細(xì)胞；(2)電離細(xì)胞中水分子產(chǎn)生的水自由基構(gòu)成的有毒物質(zhì)間接損壞組織細(xì)胞[1-3]。

由于宏觀劑量只能給出生物組織吸收劑量在宏觀大尺度的平均值，當(dāng)組織對特定電離輻射產(chǎn)生大小為D的吸收劑量時，組織中的不同細(xì)胞所受的輻射程度是不同的，基于宏觀大尺度統(tǒng)計平均值的吸收劑量無法體現(xiàn)這種微觀作用的隨機性。

因此，輻射對人體造成的生物效應(yīng)并不能通過宏觀吸收劑量來度量，故而在揭示輻射生物效應(yīng)的微觀本質(zhì)時宏觀劑量學(xué)量是不適用的?？紤]到細(xì)胞是人體最基本的組成單元，因此開展細(xì)胞尺度的微劑量學(xué)研究[4-5]至關(guān)重要。

1 微劑量學(xué)研究對象

微劑量學(xué)研究的關(guān)鍵是不同電離輻射在微觀尺度上的能量沉積分布以及由此導(dǎo)致的生物學(xué)效應(yīng)。X射線和γ射線具有很強的穿透性，因而其在穿過細(xì)胞時產(chǎn)生的電子不容易在細(xì)胞的某一部位(如細(xì)胞核)形成較大的能量沉積，大多數(shù)稀疏電離或激發(fā)事件僅能引起DNA分子的單鏈斷裂(SSB)。由于X射線和γ射線誘發(fā)DNA分子的SSB容易被修復(fù)，所以其導(dǎo)致的微觀生物學(xué)效應(yīng)較小。而質(zhì)子、α粒子以及中子間接產(chǎn)生的重帶電粒子一旦擊中細(xì)胞核，即可形成較大的電離離子群，其在細(xì)胞核的某一部位能量沉積相當(dāng)可觀，能夠產(chǎn)生不可修復(fù)的DNA損傷，由此類微觀輻射損傷產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不可忽視。因此，微劑量學(xué)研究的輻射類型主要是針對質(zhì)子、重離子和中子在內(nèi)的一些高傳能線密度(LET)粒子[6-9]。

2 微劑量測量手段

早在1946年D.E.Lea[10]指出電離輻射的能量沉積微觀分布在生物效應(yīng)研究中的重要性以來，世界上許多國家都相繼開展了微劑量測量方面的研究。到目前為止，主要發(fā)展了兩種微劑量測量裝置。

(1)組織等效正比計數(shù)器(TEPC)：屬于氣體探測器，以厘米量級的靈敏體積模擬微米量級體積的微觀組織，發(fā)展時間較長，測量技術(shù)較為成熟。具有組織等效的優(yōu)勢，但存在著空間分辨率低、僅能通過壓縮氣體模擬單個細(xì)胞、壁效應(yīng)明顯、供氣裝置繁瑣和需高壓偏置等諸多缺點[11-13]，這就限制了其應(yīng)用范圍。

(2)SOI微劑量計：屬于半導(dǎo)體探測器，通過將硅半導(dǎo)體蝕刻成細(xì)胞大小的敏感單元來記錄輻射粒子在其中的能量轉(zhuǎn)移和沉積。雖不具備組織等效的特點，但具有空間分辨率高、響應(yīng)快、輸出信號強并且能從物理層面真實模擬細(xì)胞尺度的[4,14]的突出優(yōu)勢。

本文對TEPC在微劑量測量中的應(yīng)用做了簡要敘述，重點分析SOI微劑量計物理結(jié)構(gòu)的發(fā)展及在微劑量測量方面的應(yīng)用以及存在的問題。

3 TEPC測量技術(shù)

根據(jù)Fano定理[15-16]，初級輻射和次級輻射與物質(zhì)內(nèi)原子的作用不會受其密度影響。所以，用正比計數(shù)器測量線能的概率密度分布時，可以在非常大的電離室空腔內(nèi)填充密度極低的組織等效氣體(一般是甲烷或者丙烷)來模擬組織在其很小的微觀體積內(nèi)線能的分布。

早在20世紀(jì)50年代，Rossi和他的同事首先利用低密度組織等效氣體，放大模擬微觀小體積的原理設(shè)計了微劑量實驗裝置，稱為Rossi型TEPC[17]。隨著微劑量學(xué)理論的發(fā)展及其在內(nèi)照射劑量測量中的應(yīng)用，相關(guān)實驗測量設(shè)備也在不斷完善。典型的TEPC結(jié)構(gòu)如圖1[18]所示。

圖1 典型的TEPC結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of TEPC

在內(nèi)照射微劑量實驗研究中，人們比較關(guān)心沉積核素發(fā)射的帶電粒子在微尺度范圍內(nèi)能量沉積的統(tǒng)計規(guī)律，必須盡可能避免因測量設(shè)備壁效應(yīng)引起的能譜畸變，因此出現(xiàn)了無壁TEPC[17]。無壁TEPC的特點是采用較少的固體壁材料或不用任何固體壁材料而采用場強來限定計數(shù)器的靈敏體積。國際上早在20世紀(jì)七、八十年代就已經(jīng)研制出了性能較好的無壁TEPC[19-20]，而國內(nèi)在80年代后期至今一直在對無壁TEPC做改進(jìn)工作，例如1984年北京放射醫(yī)學(xué)所鄭文忠團(tuán)隊[17]就研制成功了圓柱型無壁TEPC，分辨率高于美國遠(yuǎn)西公司生產(chǎn)的LET-SW1/2管。到了20世紀(jì)90年代末期，中科院近代物理研究所黨秉榮團(tuán)隊[21]為模擬荷能重離子在等效生物組織中徑跡和能量沉積分布，研究設(shè)計并制造了無壁正比計數(shù)器研究了系統(tǒng)電壓和TEPC分辨率的關(guān)系。再到后來，2020年海軍工程大學(xué)Zhu Min團(tuán)隊[22]研制了球形TEPC并實驗獲得了Cf-252源的微劑量光譜。

為滿足高注量率輻射場測量要求，1997年歐洲核子中心的F.Sauli等[23]將氣體電子倍增技術(shù)(GEM)應(yīng)用于TEPC，解決了微型氣體探測器容易斷絲報廢的缺點，降低了微型TEPC的加工難度，并提高了計數(shù)率和抗輻照性等性能。之后荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[24-25]、美國格魯亞科技大學(xué)[26]根據(jù)GEM-TEPC原理相繼開發(fā)了單室和多室結(jié)構(gòu)的TEPC，并對其性能進(jìn)行了測試，中國原子能科學(xué)研究院[27]也正在進(jìn)行相關(guān)工作的研究。

隨著微納工藝的進(jìn)步，2004年意大利帕多瓦大學(xué)Nardo等人[28]開發(fā)的微型TEPC，僅有2.7 mm的外徑，具有更低的累積注量率。此外，由于整體尺寸只有幾mm，所以具有高空間分辨率。但這種mini-TEPC需連續(xù)供氣，以確保穩(wěn)定的氣體增益。正因為繁瑣的輔助氣體流動設(shè)備以及mini-TEPC相關(guān)數(shù)據(jù)的處理需要耗費大量的精力，阻礙了其廣泛應(yīng)用。2019年，Conte等人[29]對mini-TEPC進(jìn)行了改進(jìn)，新的TEPC具有約0.6 mm3的靈敏體積，最重要的是以密封方式運行，不需要連續(xù)的氣流供給。經(jīng)測試，在靈敏體積內(nèi)充入丙烷氣體4個月后氣壓只減小3%，且測得的微劑量譜與4個月前測量得到的微劑量譜一致。因此，這種改進(jìn)的mini-TEPC為微劑量的實驗測量提供了一種解決方案。

但受限于測量方法，TEPC測量技術(shù)需要高壓以及繁瑣的供氣裝置，無論在哪方面改進(jìn)TEPC，均不會改變這一特性，因此在應(yīng)用上仍受到一定限制。

4 SOI微劑量測量技術(shù)

SOI微劑量計的概念是由澳大利亞伍倫貢大學(xué)醫(yī)學(xué)物理中心科研團(tuán)隊中的Bradley博士在1998年提出，并在該團(tuán)隊幾代研究人員的不懈努力下取得一系列重要成果。

該技術(shù)采用的探測單元為硅半導(dǎo)體，由于硅不是組織等效的，因此在這方面不如TEPC，但在其余很多方面優(yōu)勢明顯，比如分辨率高、響應(yīng)快、輸出信號強等。到目前為止，各國研究人員對SOI微劑量測量技術(shù)在物理結(jié)構(gòu)設(shè)計，中子、質(zhì)子及重離子微劑量測量以及組織等效轉(zhuǎn)換方面均開展了一系列研究工作，以下對這三方面內(nèi)容做詳細(xì)介紹。

4.1 物理結(jié)構(gòu)

通過文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)到目前為止，澳大利亞伍倫貢大學(xué)在SOI微劑量計物理結(jié)構(gòu)方面的研究處于引領(lǐng)地位，其余科研機構(gòu)對SOI微劑量計性能的研究基本都是基于伍倫貢大學(xué)研制的各代樣機。該科研團(tuán)隊一共設(shè)計了五代樣機，每一代產(chǎn)品都對上一代做出了一定的改進(jìn)，性能進(jìn)行了優(yōu)化，主要關(guān)注的性能為電荷收集效率的提升與電荷串?dāng)_的抑制。

4.1.1第一代SOI微劑量計

1998年Bradley博士提出并設(shè)計了基于微米級硅敏感體積(SV)的微劑量計。模擬多個細(xì)胞的硅SV陣列型微劑量計是在SOI襯底上制造的，平面SOI器件是由一個二維的30 μm×30 μm的二極管陣列組成，該陣列由細(xì)長的平行六面體形狀的微米級SV組成，采用陶瓷DIL封裝。由于其結(jié)構(gòu)中的SiO2絕緣層，避免了任何電荷在有源SOI層下面的聚集，具體結(jié)構(gòu)如圖2[30]所示。

圖2 第一代SOI微劑量計物理結(jié)構(gòu)Fig.2 The physical structure ofthe first generation SOI microdosimeter

這種設(shè)計產(chǎn)生了靈敏的、厚度明確的體積單元，但經(jīng)過對中子和重離子的響應(yīng)測試以及對其電荷收集率的研究[31-32]，發(fā)現(xiàn)由于平面型的圓柱SV內(nèi)電場的橫向分布和電荷從外部擴(kuò)散到SV內(nèi)等原因?qū)е聠蝹€SV內(nèi)的能量沉積不明確，嚴(yán)重影響了SOI微劑量響應(yīng)的準(zhǔn)確性。

4.1.2第二代SOI微劑量計

2009年伍倫貢大學(xué)的Ziebell和新南威爾士大學(xué)的Lai在最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做出了進(jìn)一步改進(jìn)，發(fā)展了第二代SOI微劑量計。第二代SOI微劑量計也是基于平面型SV設(shè)計的，具體改進(jìn)是在平面SV的外圍增加了一個保護(hù)環(huán)以抑制電荷的橫向串?dāng)_，并通過鋁母線將所有的SV連接成兩個平行的奇數(shù)和偶數(shù)陣列。這種雙通道讀出改進(jìn)了對同一LET不同高能離子的相對生物效應(yīng)(RBE)的識別，具體結(jié)構(gòu)如圖3(左)[33]所示。

但是通過鋁母線將SV并聯(lián)時受制于加工工藝，導(dǎo)致鋁母線的寬度不能加工到很窄，以至于在加工過程或者是焊接過程中會出現(xiàn)鋁母線斷裂的情況，這就導(dǎo)致了SV之間失去電連接，輸出信號減弱，影響測量結(jié)果。

為解決以上問題，2007年Ziebell等人[34]對第二代SOI微劑量計做了改進(jìn)。為消除SV之間橫向擴(kuò)散電荷被收集的可能，采用了新的工藝，將平面型SOI襯底通過蝕刻產(chǎn)生凸起的臺面型SV結(jié)構(gòu)，使得每個臺面與周圍材料物理隔離，具體結(jié)構(gòu)見圖3(右)。后續(xù)使用澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織(ANSTO)重離子微探針對該裝置的電荷收集特性進(jìn)行了實驗測量，結(jié)果表明改進(jìn)的SOI微劑量計基本實現(xiàn)了100%的電荷收集效率。但與第二代SOI微劑量計存在相似的問題，當(dāng)連接電極的鋁母線在每個SV的陡峭的臺面結(jié)構(gòu)上提升時有時會被損壞，這就導(dǎo)致了SOI陣列中SV收集的電荷不能達(dá)到100%的輸出，或者限于加工工藝，電荷輸出率會更低。

圖3 第二代SOI微劑量計物理結(jié)構(gòu)[33](左)，改進(jìn)的第二代SOI微劑量計結(jié)構(gòu)[34](右)Fig.3 The physical structure of the second generation SOI microdosimete[33](left);The structure of the improved second generation SOI micro dosimeter[34](right)

國內(nèi)方面，2012年西安交通大學(xué)劉書煥團(tuán)隊[35]根據(jù)國際上對改進(jìn)型第二代SOI微劑量計的研究進(jìn)展，采用數(shù)值模擬軟件TCAD對影響SOI-PIN微劑量探測器靈敏區(qū)電荷收集特性的主要因素進(jìn)行了模擬與分析，結(jié)果顯示填加保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)可以抑制部分電荷串?dāng)_。

4.1.3第三代SOI微劑量計

鑒于第二代SOI微劑量計SV收集的電荷最終有效讀出不高，研究人員一直在努力開發(fā)一種沒有互連問題的3D SV陣列，且具有100%有效讀出的大面積微劑量計。

2012年伍倫貢大學(xué)的Jayde博士[36]基于前兩代SOI微劑量計設(shè)計了第三代物理結(jié)構(gòu)。該劑量計是在一個大面積、高電阻率的n型SOI襯底上制備的，具體物理結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 第三代SOI微劑量計拓?fù)鋱D[36]Fig.4 The physical structure of the thirdgeneration SOI microdosimeter[36]

這種結(jié)構(gòu)有效解決了SV電極互連問題，使得電荷的有效讀出基本達(dá)到了100%，但引發(fā)了另外的問題。雖然采用高電阻率的襯底對抑制電荷串?dāng)_起到了一定的作用，但沒有明確的物理隔離，相鄰SV之間嚴(yán)重的電荷串?dāng)_只是得到進(jìn)一步抑制，而沒有得到徹底解決。因此，研究人員也意識到只有物理隔離才能解決電荷收集問題。

4.1.4第四代SOI微劑量計

隨著微尺度蝕刻技術(shù)的提升，2014年伍倫貢大學(xué)研究團(tuán)隊中的Guatelli博士在第四代微劑量計中采用了溝槽形式，俗稱“橋式”劑量計，形成了SV的半隔離狀態(tài)，具體結(jié)構(gòu)如圖5[37]所示。該技術(shù)蝕刻產(chǎn)生直的平行六面體形狀的SV，同時在SV之間留下薄的硅橋來支撐鋁母線，這項新技術(shù)提供了一個定義良好的微米級三維空間矢量幾何形狀。

圖5 第四代SOI微劑量計物理結(jié)構(gòu)[37]Fig.5 The physical structure of the fourthgeneration SOI microdosimeter[37]

通過用5.5 MeV的氦離子研究第四代“橋式”微劑量計的響應(yīng)[11]，結(jié)果顯示“橋式”微劑量計中正方形敏感區(qū)域中電荷收集效率接近100%，仍然可以從附著在SV上的橋區(qū)觀察到一些橫向電荷收集。這就說明 “橋式”微劑量計的設(shè)計雖然已經(jīng)通過蝕刻技術(shù)將各SV連接區(qū)域的大部分硅去除，但在SV連接的橋區(qū)仍然存在橫向電荷串?dāng)_。

4.1.5第五代SOI微劑量計

通過前三代SOI的發(fā)展，證明基于平面技術(shù)的硅微劑量計存在不可避免的橫向電荷擴(kuò)散問題，第四代“橋式”微劑量計的半物理隔離狀態(tài)導(dǎo)致其連接區(qū)域也無法避免橫向電荷串?dāng)_，足以說明只要SV之間沒有做到真正的物理隔離，必然會引起橫向電荷的擴(kuò)散。

2014年Tran博士在改進(jìn)的第五代結(jié)構(gòu)中設(shè)計了“蘑菇”狀形態(tài)，做到類細(xì)胞陣列的完全物理隔離，具體結(jié)構(gòu)見圖6[38]所示。這種新設(shè)計由三維立方體或圓柱形SV組成，整個SV陣列嵌入在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中以形成完全物理隔離。

“蘑菇”狀SOI微劑量計對Cf-252和Pu-Be中子場響應(yīng)的模擬結(jié)果表明[38]：與具有平面SV設(shè)計的SOI微劑量計相比，“蘑菇”狀微劑量計除了完全物理隔離的結(jié)構(gòu)使得相鄰三維硅SV之間的電荷串?dāng)_問題基本得到解決外，還具有高組織等效性的優(yōu)勢。另外，清華大學(xué)也正在利用該結(jié)構(gòu)硅基微劑量計開展相關(guān)微劑量學(xué)的研究工作，但未見公開文獻(xiàn)報道。

綜合以上研究現(xiàn)狀，國內(nèi)外學(xué)者在SOI微劑量計的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了一些重要成果，尤其是澳大利亞伍倫貢大學(xué)研究團(tuán)隊在五代SOI微劑量計的研發(fā)中取得了很多突破性的成果。無論是實現(xiàn)SV的物理隔離還是給SV增加保護(hù)環(huán)，均提高了硅微劑量計的電荷收集效率，但SV的形狀、相鄰SV之間的間隔、n/p電極注入深度及厚度與電荷收集及串?dāng)_存在的關(guān)系等還未得到充分研究，且伍倫貢大學(xué)的研究成果對于目前加工成型的樣機還存在并線的隱患。

4.2 中子、質(zhì)子及重離子微劑量測量

X射線和γ射線的穿透性很強，因此極易穿透微小的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對細(xì)胞引起的輻射生物效應(yīng)也很小。而中子、質(zhì)子和重離子的傳能線密度較高，一旦與細(xì)胞核相撞則會有大量的能量沉積，對細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的輻射損傷。因此，在微劑量學(xué)研究領(lǐng)域比較關(guān)注中子、質(zhì)子及重離子的微劑量研究與測量。

4.2.1中子微劑量測量

中子是具有高LET特性的一類特殊粒子，因其不帶電，微劑量探測陣列對中子的探測必須借助中子轉(zhuǎn)換材料。

1999年伍倫貢大學(xué)的Bradley博士[39]將第一代的SOI微劑量計首次應(yīng)用在硼中子俘獲治療(BNCT)的微劑量學(xué)測量中，結(jié)果表明第一代的SOI技術(shù)提供了明確的可模擬真實細(xì)胞的SV，但仍需要設(shè)計改進(jìn)SV之間的電荷橫向擴(kuò)散。在SOI微劑量計表面涂覆各種轉(zhuǎn)換材料來提高對中子和重離子微劑量的測量，研究表明在有機玻璃中直接涂覆10%的B-10可以提高對中子微劑量的測量，實驗測量能給出一個與模擬相似的譜；而U-235是一種可用于重離子微劑量測量的有效轉(zhuǎn)換材料。

2005年澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織的Reinhard博士[40]利用Geant4模擬了伍倫貢大學(xué)第一代SOI微劑量計對Pu-Be中子源的響應(yīng)，模擬中在劑量計頂端增加了聚乙烯(PE)轉(zhuǎn)換層。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果一致，表明增加PE轉(zhuǎn)換層可以實現(xiàn)對中子劑量的有效測量，且改變轉(zhuǎn)換層厚度可以反映軟組織中特定深度的微劑量譜，轉(zhuǎn)換材料成分應(yīng)與感興趣的器官相匹配。

2014年伍倫貢大學(xué)的Tran博士[38]在對第五代硅基微劑量計進(jìn)行優(yōu)化時，利用Geant4建模，將PMMA材料嵌入三維SV，并在微劑量計頂部覆蓋了一層500 μm厚的PMMA轉(zhuǎn)換層以實現(xiàn)對中子的探測。其模擬結(jié)果顯示增加PMMA轉(zhuǎn)換材料后，在關(guān)注的線能范圍內(nèi)中子探測效率有所提升。

2017年西安交通大學(xué)雷鳴[41]利用Geant4模擬了SOI微劑量探測器對Cf-252中子和伽馬混合輻射場的線能譜，模擬過程中在微劑量計頂端加入了PE轉(zhuǎn)換層，得到的線能譜與TEPC實驗測量的線能譜分布變化基本一致，在部分線能區(qū)間有差異。

2018年京都大學(xué)Hu博士與伍倫貢大學(xué)Tran博士[42]合作基于蒙卡方法模擬了第四代“橋式”硅基微劑量計對京都大學(xué)反應(yīng)堆(KUR)臨床BNCT場中微劑量譜的測量。由于BNCT場中除熱中子外還有快中子，因此模擬過程中不僅在SOI微劑量計的頂部覆蓋了B-10熱中子轉(zhuǎn)換層，而且在最外側(cè)增加了PMMA快中子轉(zhuǎn)換層，結(jié)果證明SOI微劑量計對BNCT中微劑量譜測量是可行的。由于KUR一直處于維護(hù)期，因此該工作并未得到實驗驗證。

綜上，國內(nèi)外基于SOI微劑量計對中子微劑量的測量基本停留在模擬階段，僅對研究初期伍倫貢大學(xué)提供的第一代樣機進(jìn)行了簡單的可行性實驗驗證，而且測量結(jié)果僅是與模擬結(jié)果做了對比，未與TEPC的測量結(jié)果作對比，不能說明SOI微劑量計和TEPC之間哪種測量方式更具優(yōu)勢，更深入、更系統(tǒng)的實驗研究仍需盡快開展。

4.2.2質(zhì)子及重離子微劑量測量

2000年Bradley博士[43]對第一代SOI微劑量計分別在日本筑波大學(xué)質(zhì)子醫(yī)學(xué)研究中心(PMRC)和波士頓東北質(zhì)子治療中心(NPTC)做了實驗測試，實驗分別使用了250 MeV質(zhì)子束和230 MeV質(zhì)子束。結(jié)果表明SOI微劑量計能夠以高空間分辨率記錄線能譜，且該光譜與使用SRIM和棱鏡進(jìn)行的模擬以及基于先前質(zhì)子束中的比例計數(shù)器測量和對束特性理解的定性預(yù)期相一致，這也說明了SOI微劑量計可以用于質(zhì)子治療中微劑量的實驗測量。

2007年伍倫貢大學(xué)的Wroe等人[44]在空間高能重離子輻射場中測試了第一代SOI微劑量計的相關(guān)性能。輻照是在NASA空間輻射實驗室用0.6 GeV/u的鐵離子和1.0 GeV/u的鈦離子完成的，結(jié)果與已建立的TEPC數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，表明了SOI微劑量計用于確定人體模型內(nèi)線性能量數(shù)據(jù)的可行性，其設(shè)計特點和性能支持在空間環(huán)境中的進(jìn)一步測試和部署。

2017年伍倫貢大學(xué)的Chartier博士[45]首次利用第四代“橋式”SOI微劑量計在美國羅徹斯特的梅奧診所使用擴(kuò)展布拉格峰質(zhì)子筆形束(PBS)場測量了其場外位置的微劑量。表明“橋式”SOI微劑量計因具有小尺寸探頭，可以順利完成場外測量，而TEPC等其他微劑量測量設(shè)備因體積太大無法完成該項任務(wù)。同時利用該套SOI微劑量計在日本千葉的重離子醫(yī)用加速器上測量了C-12離子束的微劑量相關(guān)量，表明SOI微劑量計由于其輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和探頭前端的穩(wěn)定顫噪特性，適用于模擬器官運動來研究靶運動對放療效果的影響。

2020年日本國家放射科學(xué)所的Lee等人[46]利用第五代“蘑菇”式SOI微劑量計樣機測量了原始氦離子在不同位置的微劑量線性能譜，獲得胰腺癌細(xì)胞的微劑量動力學(xué)(MK)參數(shù)。根據(jù)在氦離子的原始布拉格曲線的每個位置測量的光譜，計算飽和校正的劑量平均線性能量，并且確定MK參數(shù)，使得計算的存活曲線能準(zhǔn)確地預(yù)測體外數(shù)據(jù)。該研究結(jié)果表明使用來自SOI微劑量計測量的物理劑量和微劑量線性能譜的MK參數(shù)能夠預(yù)測暴露于氦離子束擴(kuò)展布拉格峰(SOBP)區(qū)域內(nèi)胰腺癌細(xì)胞的存活分?jǐn)?shù)。

綜上所述，利用SOI微劑量計對質(zhì)子和重離子的微劑量實驗測量的開展情況要優(yōu)于對中子微劑量的測量，原因在于質(zhì)子和重離子是帶電粒子，而中子不帶電。對中子微劑量的測量需要在SOI微劑量計的表面進(jìn)行轉(zhuǎn)換材料的填充，盡可能提高對中子的探測效率。

通過對質(zhì)子和重離子微劑量的實驗測量以及與TEPC測量結(jié)果的對比，充分說明SOI微劑量計在微劑量實驗測量中的優(yōu)勢，也為后續(xù)加強SOI微劑量計對中子微劑量的實驗測量奠定了一定的基礎(chǔ)。

4.3 組織等效轉(zhuǎn)換

與TEPC通過改變充入氣體密度來模擬人體各組織器官不同的是SOI微劑量計的主體探測單元硅SV不是組織等效的。SOI微劑量計給出的線能譜結(jié)果需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能得到組織細(xì)胞中的真實能譜。

1998年Bradley[47]針對伍倫貢大學(xué)第一代SOI微劑量計在BNCT中的應(yīng)用，采用蒙卡方法模擬了熱中子與硅和組織相互作用產(chǎn)生的離子產(chǎn)物的射程-能量關(guān)系，進(jìn)而獲得離子在硅SV和組織中的微劑量譜，對比結(jié)果顯示在0.63的轉(zhuǎn)換系數(shù)下硅探測器記錄具有代表性的組織細(xì)胞等效形狀的能量沉積光譜。

2008年Guatelli[48]針對伍倫貢大學(xué)第二代SOI微劑量計在質(zhì)子治療和宇航員質(zhì)子防護(hù)中的應(yīng)用，利用Geant4模擬了MeV能量的質(zhì)子在圓柱形硅SV和水模中沉積的能譜，給出了0.56的組織等效轉(zhuǎn)換系數(shù)，并說明線性尺寸的簡單幾何比例因子足以將實驗獲得的硅微劑量能量沉積轉(zhuǎn)換成水中的等效微劑量能量沉積譜。

2017年Bolst[49]利用蒙卡模擬方法將重離子治癌中C-12的硅微劑量譜轉(zhuǎn)換為組織內(nèi)的能量沉積譜，發(fā)現(xiàn)在10 μm大小的硅圓柱體SV中的能量沉積譜與在組織中測量的能譜形狀相同，只是存在一個縮放系數(shù)。

綜上所述，國外研究機構(gòu)針對固定形狀硅微劑量計中特定參數(shù)的熱中子、質(zhì)子和C-12離子能量沉積的組織等效轉(zhuǎn)換進(jìn)行了相關(guān)研究，而對于其他復(fù)雜參數(shù)高LET粒子輻射環(huán)境下普適性SOI微劑量計的組織等效性仍未得到系統(tǒng)的研究，且在組織等效轉(zhuǎn)換的過程中采用的方法也未得到統(tǒng)一。

5 展望與討論

隨著微劑量學(xué)的蓬勃發(fā)展，對微劑量測量技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的TEPC測量手段存在諸多缺陷，新型的SOI微劑量計與TEPC相比，雖然有著高分辨、快響應(yīng)等優(yōu)勢，但從概念提出發(fā)展至今存在一些問題需要解決：

(1)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：國際上主要是伍倫貢大學(xué)在這方面研究比較深入，國內(nèi)尚屬空白。經(jīng)過五代樣機的不斷改進(jìn)，在電荷收集方面做出了很大的改善。但在SV的形狀、相鄰SV之間的間隔、n/p電極注入深度及厚度等對高LET粒子微劑量測量的具體影響仍未得到深入研究。經(jīng)過對這些影響因素的系統(tǒng)研究，可以對新一代物理結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供幫助。同時，需要對加工工藝進(jìn)行改進(jìn)以解決目前樣機生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的并線問題。

(2)中子、質(zhì)子及重離子微劑量的測量：SOI微劑量計對質(zhì)子和重離子微劑量的測量研究頗多，很多相關(guān)實驗測量結(jié)果都說明了SOI微劑量計優(yōu)于TEPC等傳統(tǒng)微劑量測量設(shè)備。但是對中子微劑量的測量報道大多停留在模擬階段，實驗研究甚少，原因在于對中子的測量需要對中子轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行深入研究。如何提高實際測量中中子的探測效率是加快實現(xiàn)中子微劑量實驗測量后續(xù)需要重點解決的問題。

(3)組織等效方面：目前通過蒙卡模擬方法得到了幾種粒子在SOI微劑量計中的射程-能量與線能譜，并通過射程-能量的比值或者是線能譜之間的比例系數(shù)實現(xiàn)了與組織的等效轉(zhuǎn)換。下一步需要對兩種等效轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行實驗研究，給出一種最為普適的等效轉(zhuǎn)換方式，并通過實驗對更多復(fù)雜參數(shù)粒子的微劑量譜做出等效轉(zhuǎn)換。

通過對以上三方面的深入研究，將有效促進(jìn)我國乃至世界SOI微劑量計的研發(fā)和實際應(yīng)用，為常規(guī)放射從業(yè)者以及空間站等特殊場所[50-51]工作人員輻射生物效應(yīng)的研究提供更接近細(xì)胞甚至亞細(xì)胞尺度的測量工具和更精確的微劑量測量數(shù)據(jù)。同時，還可用于強子治療中粒子輻照劑量表征，為放射治療質(zhì)量保證提供技術(shù)支持[52-54]。