王菲菲，高 飛，丁雨陽，王子業(yè)，王子琳，劉佳瑞

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中核核工業(yè)計(jì)量與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102413）

1 引言

惡性腫瘤在我國(guó)乃至全球都有著極高的發(fā)病率與死亡率，放射治療已成為治療癌癥的主要手段之一。質(zhì)子束的典型深度-劑量分布包括一個(gè)劑量隨深度緩慢增加的區(qū)域，稱為“坪區(qū)”，以及一個(gè)劑量迅速上升到最大值的區(qū)域，稱為“布拉格峰”，不同能量質(zhì)子束在水中的深度-劑量分布曲線如圖1所示。由于質(zhì)子治療獨(dú)特的布拉格峰，可以將相對(duì)均勻的劑量輸送到要治療的體積上，在對(duì)腫瘤進(jìn)行精準(zhǔn)治療的同時(shí)，減少對(duì)周圍正常組織的輻射損傷，質(zhì)子治療已成為放射治療領(lǐng)域重要發(fā)展趨勢(shì)之一。國(guó)內(nèi)外已開展質(zhì)子束水吸收劑量測(cè)量研究，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）基于量熱法研制水量熱計(jì)，并利用水量熱計(jì)開展質(zhì)子束水吸收劑量絕對(duì)測(cè)量研究［1］，國(guó)內(nèi)外質(zhì)子治療中常利用電離室配合三位水箱開展質(zhì)子束布拉格峰測(cè)量［2］。目前，國(guó)內(nèi)尚未建立質(zhì)子束輻射質(zhì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，無法驗(yàn)證質(zhì)子治療TPS（Radiation Therapy Treatment Planning System，放療計(jì)劃系統(tǒng)）中質(zhì)子束布拉格峰等參數(shù)，因此精準(zhǔn)測(cè)量質(zhì)子束流布拉格峰位及峰寬對(duì)于確保質(zhì)子治療領(lǐng)域中精準(zhǔn)治療，減少輻射損傷有重要意義。

圖1 質(zhì)子束在水中深度-劑量分布模擬曲線圖Fig.1 Graph of simulation percentage depth dose curve of proton beam in water

2 質(zhì)子束布拉格峰測(cè)量

2.1 測(cè)量原理及設(shè)備

基于100 MeV 回旋加速器，開展質(zhì)子束布拉格峰測(cè)量，測(cè)量原理及方法參考IAEA TRS-398 號(hào)報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱“398 號(hào)報(bào)告”）［3］。398 號(hào)報(bào)告中給出了能量在（50～250）MeV 之間的質(zhì)子束水吸收劑量相對(duì)測(cè)量設(shè)備及方法，并將測(cè)得的水吸收劑量溯源至60Co水吸收劑量，質(zhì)子束水吸收劑量計(jì)算公式如式（1）：

式中：MQ——電離室讀數(shù)，c；ND，w，Q0——電離室在60Co參考輻射質(zhì)下的校準(zhǔn)因子，Gy／c；kQ，Q0——電離室在質(zhì)子束下及60Co 參考輻射質(zhì)下的響應(yīng)修正因子。

理想情況下，kQ，Q0應(yīng)通過直接測(cè)量質(zhì)子束和60Co輻照下水吸收劑量并比值得到。但由于目前尚無質(zhì)子束水吸收劑量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，398 號(hào)報(bào)告中給出的質(zhì)子束kQ，Q0值為通過計(jì)算得出，30013 指型電離室在不同質(zhì)子輻射質(zhì)下的響應(yīng)修正因子如表1所示。表1 中Rres為質(zhì)子束剩余射程，為表征質(zhì)子束不同輻射質(zhì)的參數(shù)［3］。

表1 30013 電離室在不同輻射質(zhì)質(zhì)子束下的水吸收劑量響應(yīng)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

在此只針對(duì)質(zhì)子束布拉格峰，即質(zhì)子相對(duì)深度-劑量分布曲線進(jìn)行測(cè)量。后續(xù)可利用式（1）及表1 中響應(yīng)修正因子開展質(zhì)子束水吸收劑量測(cè)量。由于質(zhì)子等重帶電粒子與物質(zhì)相互作用，其能量損失的主要方式是與物質(zhì)靶原子的核外電子的非彈性碰撞而導(dǎo)致電子被電離或激發(fā)，基于空腔理論，通過測(cè)量質(zhì)子與空腔室壁材料相互作用產(chǎn)生的電離電流，從而得到水中不同深度處的質(zhì)子束布拉格峰曲線［4］。參考398 號(hào)報(bào)告，選擇指型電離室開展布拉格峰測(cè)量實(shí)驗(yàn)?？紤]電離室長(zhǎng)期穩(wěn)定性，選擇空腔電離室，電離室外徑應(yīng)不超過峰寬的一半［3］。綜上，選擇PTW-30013 指型電離室測(cè)量布拉格峰，電離室防水，空腔室壁材料為石墨，內(nèi)部填充空氣，空腔半徑為3.5 mm［5］。

398 號(hào)報(bào)告中建議用水作為參考介質(zhì)來測(cè)定質(zhì)子束的輻射質(zhì)和吸收劑量［3］，體模的橫向尺寸（長(zhǎng)和寬）應(yīng)比測(cè)量點(diǎn)處輻射野四邊向外擴(kuò)展5 cm，并超出最大測(cè)量深度至少5 g·cm-2。本次測(cè)量的質(zhì)子束流為準(zhǔn)直束，輻射野半徑約為25 mm，測(cè)量深度約為（0～30）mm。選擇PTW MP3-P 三維掃描水箱配合指型電離室測(cè)量布拉格峰，水箱由PMMA 材料制成，水箱內(nèi)部尺寸為（448 ×480 ×350）mm，可包含輻射野，且滿足測(cè)量深度的要求。水箱入射窗尺寸為（250 ×250）mm，厚度為5 mm。該水箱配置步進(jìn)電機(jī)，可在三維方向進(jìn)行步長(zhǎng)為0.1 mm 的移動(dòng)，滿足布拉格峰測(cè)量要求［6］。

2.2 測(cè)量軟件及功能

利用MEPHYSTO Navigator 軟件配合PTW-30013 指型電離室及MP3-P 三維掃描水箱測(cè)量質(zhì)子束布拉格峰。該軟件可用于控制MP3-P 三維掃描水箱，并可自動(dòng)測(cè)量和評(píng)估射束的相對(duì)和絕對(duì)劑量分布。

在相對(duì)劑量測(cè)量模塊的3 維水箱掃描功能中包含3 維水箱劑量掃描、束流中心檢測(cè)、探測(cè)器3 維定位功能。其中水箱掃描功能用于控制水箱內(nèi)探測(cè)器測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)的圖形表示、計(jì)算、存儲(chǔ)及調(diào)用功能等。在該功能頁面中包含照射裝置及測(cè)量?jī)蓚€(gè)選項(xiàng)卡，在照射裝置選項(xiàng)卡中可對(duì)照射裝置名稱、編號(hào)、粒子種類、能量、入射角度、射野范圍等參數(shù)進(jìn)行記錄及設(shè)置，便于后續(xù)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析。

在測(cè)量選項(xiàng)卡中可對(duì)使用的靜電計(jì)及探測(cè)器進(jìn)行選擇，在探測(cè)器選擇頁面可自定義校準(zhǔn)因子。測(cè)量時(shí)可手動(dòng)選擇測(cè)量時(shí)間。在下拉列表框中可選擇測(cè)量模式，根據(jù)所選模式不同及已輸入照射裝置基本信息對(duì)電離室測(cè)量移動(dòng)路線規(guī)劃，模式包含百分深度劑量（配合使用監(jiān)督電離室）及剖面劑量分布（PDD and Profiles）測(cè)量、沿束流方向劑量分布（plane parallel to central beam）測(cè)量、垂直束流方向劑量分布測(cè)量（plane perpendicular to central beam）等模式。其中點(diǎn)（points）測(cè)量模式，可手動(dòng)輸入多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測(cè)量時(shí)電離室可依次移動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在水箱測(cè)量功能設(shè)置中可對(duì)探測(cè)器移動(dòng)的速度、步長(zhǎng)及停留測(cè)量時(shí)間進(jìn)行設(shè)置［7］。

開始測(cè)量后，電離室測(cè)量時(shí)讀出電信號(hào)應(yīng)通過低噪聲電纜傳至靜電計(jì)進(jìn)行劑量讀出，并通過數(shù)據(jù)線連接靜電計(jì)及計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。軟件提供多個(gè)數(shù)據(jù)接口，可與多個(gè)電離室（24 路信號(hào)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及分析。測(cè)量完成后處理軟件對(duì)劑量曲線進(jìn)行繪制，繪圖類型包含剖面劑量分布圖、百分深度劑量分布圖、等劑量分布圖、三維劑量分布圖及任意掃描形式曲線［8］。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

在該軟件相對(duì)測(cè)量功能中選擇三維水箱掃描，掃描類型為百分深度劑量曲線（Percentage Depth Dose，PDD），百分深度劑量指體模內(nèi)射束中心軸上某一深度處的吸收劑量與參考深度處吸收劑量之比的百分?jǐn)?shù)。在測(cè)量頁面中輸入源皮距、測(cè)量點(diǎn)深度坐標(biāo)、單點(diǎn)測(cè)量時(shí)間等參數(shù)。本次布拉格峰測(cè)量實(shí)驗(yàn)選擇的質(zhì)子束流能量約為100 MeV，后續(xù)可利用TPS 軟件計(jì)算布拉格峰相關(guān)參數(shù)，并與本工作中測(cè)得的參數(shù)比對(duì)，可以質(zhì)子治療質(zhì)量保障技術(shù)提供基礎(chǔ)。

本次測(cè)量中水箱置于移動(dòng)支架上。質(zhì)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，束流軸線與水箱軸線重合，輻射野內(nèi)無金屬支架，避免金屬活化散射等影響。水箱內(nèi)有三維移動(dòng)滑塊受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電離室末端金屬桿通過支架固定在滑塊上，電離室軸向垂直于地面。電離室參考點(diǎn)為軸線上距尖端13 mm 處，該點(diǎn)與輻射野中心重合。實(shí)驗(yàn)室布局示意圖，如圖2所示。同一條件下開展3 次百分深度劑量測(cè)量，坐標(biāo)及相應(yīng)點(diǎn)處的相對(duì)劑量如表2所示。

圖2 質(zhì)子束布拉格峰測(cè)量實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of proton beam Bragg peak measurement experiment

表2 質(zhì)子束布拉格峰測(cè)量Tab.2 Proton beam Bragg peak measurement

完成數(shù)據(jù)測(cè)量后，利用MEPHYSTO Navigator 軟件數(shù)據(jù)分析功能，計(jì)算質(zhì)子束流布拉格峰位、參考深度、峰寬、實(shí)際射程及剩余射程等參數(shù)。其中，擴(kuò)展布拉格峰指的是最高劑量的95 %的區(qū)域，參考深度則位于擴(kuò)展布拉格峰中心。以相對(duì)劑量最高點(diǎn)處為參考深度，以最高劑量為歸一點(diǎn)，求得水箱內(nèi)射束中心軸上的百分深度劑量，并繪制相應(yīng)曲線，百分深度劑量曲線結(jié)果如圖3所示，曲線分析結(jié)果如表3所示。

表3 三次測(cè)量質(zhì)子百分深度劑量曲線分析表Tab.3 Analysis of percentage depth dose curve of proton beam for three measurements（單位：mm）

圖3 質(zhì)子束百分深度劑量曲線圖Fig.3 Graph of percentage depth dose curve of proton beam

由表3 可知，三次測(cè)量擴(kuò)展布拉格峰寬平均值為1.21 mm，參考深度平均值為43.63 mm。

3 結(jié)束語

基于100 MeV 回旋加速器質(zhì)子束流，參考398號(hào)報(bào)告開展了質(zhì)子束百分深度劑量曲線測(cè)量，得到該質(zhì)子束流布拉格峰位、峰寬、實(shí)際射程及剩余射程等輻射質(zhì)參數(shù)。本工作對(duì)于在國(guó)內(nèi)建立質(zhì)子束輻射質(zhì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證質(zhì)子治療TPS 中質(zhì)子束布拉格峰等參數(shù)，確保質(zhì)子治療精準(zhǔn)治療，減少輻射損傷提供了重要基礎(chǔ)。后續(xù)可參考398 號(hào)報(bào)告中相對(duì)測(cè)量方法測(cè)量質(zhì)子束水吸收劑量，并利用報(bào)告中各電離室響應(yīng)修正因子將劑量溯源至60Co 下水吸收劑量，對(duì)于填補(bǔ)國(guó)內(nèi)質(zhì)子束水吸收劑量量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)空白，及質(zhì)子治療精準(zhǔn)治療具有重要意義。