支世杰, 王 繼, 王培瑋, 吳金杰, 任世偉

(1.華北理工大學(xué)附屬醫(yī)院 放療科，河北 唐山 063000；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.河北科技大學(xué) 理學(xué)院，河北 石家莊 050018)

1 引 言

在放射治療領(lǐng)域,根據(jù)射線源的不同可具體分為密封源治療和非密封源治療。其中密封源治療又包括了遠(yuǎn)距離治療和近距離治療。在近距離治療中,高劑量率192Ir近距離治療是非常重要的一種治療手段[1]。

高劑量率192Ir近距離治療由于劑量率高,且直接與病變組織接觸,可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行大劑量的照射,因此對(duì)于宮頸癌[2,3]、前列腺癌[4]等惡性腫瘤具有較好的治療效果。

國際計(jì)量局(BIPM)在電離輻射劑量領(lǐng)域開展的國際關(guān)鍵比對(duì)共有9項(xiàng),截止2021年中國計(jì)量科學(xué)研究院參比項(xiàng)目共有7項(xiàng)。完成BIPM.RI(I)-K8的比對(duì)工作[5,6],將進(jìn)一步拉近我國與先進(jìn)國家輻射劑量學(xué)領(lǐng)域計(jì)量能力的差距,提升我國測(cè)量和校準(zhǔn)能力,提高涉及經(jīng)濟(jì)商貿(mào)的測(cè)量檢驗(yàn)計(jì)量互認(rèn)協(xié)議的地位。參考輻射場(chǎng)的搭建將為192Ir參考空氣比釋動(dòng)能率量值復(fù)現(xiàn)及國際比對(duì)等工作打下基礎(chǔ)。

2 輻照器的設(shè)計(jì)

2.1 輻照器設(shè)計(jì)

輻照器承擔(dān)了射束準(zhǔn)直、消除環(huán)境散射等作用,可為實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供一個(gè)準(zhǔn)直的射束環(huán)境。同時(shí)放射源在輻照器中時(shí),為了不影響測(cè)量,要求經(jīng)過輻照器衰減后的劑量和經(jīng)過混凝土地面和墻壁的反射后的劑量應(yīng)低于主光束劑量的0.1%[6,7]。

輻照器的主體材料為鉛銻合金(91%Pb,9%Sb),起到限束準(zhǔn)直效果;前表面光闌由鎢合金(89%W,7%Ni,4%Fe)制成。

為確定輻照器各方向的厚度,根據(jù)空氣比釋動(dòng)能常數(shù)[8]109.1 μGy·m2·GBq-1·h-1和192Ir活度3.7×1011Bq(10 Ci),按照γ射線衰減的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于窄束單能γ射線在穿過指定材料時(shí)符合e指數(shù)衰減,方程為:

I=I0e-μd

(1)

式中:I和I0分別表示穿過指定材料前后的射線強(qiáng)度;d為材料厚度;μ為線性衰減系數(shù)。

設(shè)計(jì)的輻照器前壁厚為75 mm,上下左右及后壁厚度為40 mm[9]。根據(jù)文獻(xiàn)[10],192Ir放射源的能譜最高能量為885 keV;按照最高能量進(jìn)行衰減計(jì)算,利用美國NIST官網(wǎng)質(zhì)量衰減系數(shù)數(shù)據(jù)庫等參數(shù),采用線性內(nèi)插等方法,最終得到通過輻照器的衰減參數(shù),如表1。

表1 輻照器衰減參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,確定輻照器的結(jié)構(gòu),其具體參數(shù)如表2。

表2 輻照器具體結(jié)構(gòu)

2.2 輻照器及空間散射計(jì)算

參考輻射場(chǎng)中放射源主射束以外的散射輻射對(duì)所需測(cè)量的輻射份額貢獻(xiàn)不應(yīng)超過總劑量率的0.1%[6,7](輻射源包殼所造成的的散射份額不計(jì)算在內(nèi))。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室實(shí)際大小(6 m×5 m×5 m)、房間墻壁厚度(1 m×2 m)、地板材質(zhì)、輻照器大小厚度(參見表2)及擺放位置、探測(cè)器擺放位置等因素,對(duì)輻照器及空間散射進(jìn)行模擬計(jì)算。

采用蒙特卡羅軟件[11]模擬計(jì)算,參考輻照器實(shí)際擺放位置,模型中輻照器距離后墻1.5 m,距離右墻2 m,距離左墻6 m,距離地面1.5 m,射束方向墻面6 m。放射源位置與輻照器的位置均與實(shí)際實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)相同,并在距離放射源1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m的位置設(shè)置與基準(zhǔn)電離室體積相同的球型探測(cè)器,計(jì)算實(shí)際場(chǎng)景與無限大場(chǎng)景(空間介質(zhì)為真空,默認(rèn)該場(chǎng)景下無散射份額)下球體中的沉積能量。最終計(jì)算得出散射份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1%的標(biāo)準(zhǔn)要求,輻照器設(shè)計(jì)合理,滿足量值復(fù)現(xiàn)需要,模擬結(jié)果如表3。

表3 輻射場(chǎng)散射模擬結(jié)果

3 定位裝置

3.1 輻射源定位裝置

在高劑量率192Ir γ射線參考輻射場(chǎng)的搭建過程中,選用醫(yī)用的后裝治療機(jī)作為輻射源定位裝置,放射源通過后裝機(jī)的驅(qū)動(dòng)送入輻照器中。源在輻照器中要確定最佳位置,見圖1,步長(zhǎng)選定為2 mm,放射源位于1 026 mm位置時(shí)電離電流最大且居于中間位置,認(rèn)為此處為源的近似最佳位置,然后經(jīng)過輻照器的準(zhǔn)直屏蔽作用,最終形成準(zhǔn)直的192Ir γ射線束。具體布置如圖2所示,醫(yī)用后裝機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表4。

圖1 放射源最佳位置測(cè)量

圖2 后裝機(jī)與輻照器連接示意圖

表4 醫(yī)用后裝機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 探測(cè)器定位裝置

定位導(dǎo)軌為π型軌道,導(dǎo)軌設(shè)計(jì)有四軸直線運(yùn)動(dòng),兩軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),平臺(tái)主體為標(biāo)準(zhǔn)螺紋陣列,為后期功能的拓展留有空間,在平行光路及垂直光路上分別設(shè)計(jì)有定位激光器,以保證實(shí)驗(yàn)過程中儀器定位的準(zhǔn)確,設(shè)計(jì)有兩個(gè)完全相同的電離室支架,為后期復(fù)現(xiàn)參考空氣比釋動(dòng)能率量值及其量值傳遞留有擴(kuò)展位。定位平臺(tái)經(jīng)過嚴(yán)格的水平校正。定位平臺(tái)中使用到的電機(jī)均為伺服電機(jī),兩個(gè)電離室支架的設(shè)計(jì)保證了不同電離室在夾持和旋轉(zhuǎn)的過程中始終同心,且配置有電動(dòng)的升降支架,滿足不同結(jié)構(gòu)的電離室的使用。定位裝置如圖3所示,設(shè)計(jì)參數(shù)如表5。

圖3 探測(cè)器定位裝置

表5 探測(cè)器定位裝置相關(guān)參數(shù)

表5中X方向?yàn)榕c光路平行的方向,Y方向?yàn)榕c光路水平垂直的方向,Z為升降方向,R軸為旋轉(zhuǎn)方向,可360°旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)可滿足基準(zhǔn)量值的復(fù)現(xiàn),同時(shí)滿足儀器校準(zhǔn),儀器角響應(yīng)測(cè)量,輻射野測(cè)量等功能。

3.3 輻射野測(cè)量

為確定導(dǎo)軌與光路是否完全平行,并且確定輻射場(chǎng)的設(shè)計(jì)是否滿足基準(zhǔn)電離室的量值復(fù)現(xiàn)需求與量值傳遞的需求。在距離輻射源1.4 m的位置進(jìn)行了輻射野的測(cè)量,并進(jìn)一步驗(yàn)證不同位置輻射野的均勻性。因球形電離室的支撐桿會(huì)造成掃描垂直方向輻射野,且電離室處于輻射野中不同位置的桿長(zhǎng)短不同,桿散射影響不同,造成偏差;故而采用體積與基準(zhǔn)球形石墨空腔電離室較為接近的球形商用電離室Standard Imaging A5電離室,其具體參數(shù)見表6。實(shí)驗(yàn)過程中儀器擺放位置如圖4所示。

圖4 掃描輻射野儀器擺放示意圖

表6 A5電離室具體參數(shù)

通過掃描處理,可以看出在1.4 m的位置,測(cè)量用電離室?guī)缀沃行奈恢门c光路軸完全重合,通過換算可知此位置的輻射野半徑為:

R=R′+r

(2)

式中:R為實(shí)際輻射野半徑;R′為測(cè)量半徑;r為電離室半徑。將測(cè)量數(shù)據(jù)按照最大值進(jìn)行歸一處理,見圖5?？芍椛湟爸睆骄鶆蛐院糜?5%的尺寸約為98 mm,均勻性好于98%的直徑約為92 mm,而基準(zhǔn)石墨空腔電離室的有效體積直徑為64 mm,滿足量值復(fù)現(xiàn)需要。

圖5 距離放射源1.4 m處輻射野掃描結(jié)果

4 能譜測(cè)量與模擬

4.1 能譜測(cè)量

選用ORTEC公司的HPGe探測(cè)器,其靈敏區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸如表7。

表7 HPGe譜儀結(jié)構(gòu)尺寸

譜儀的輸出脈沖和它所吸收的射線能量之間存在線性關(guān)系,利用放射性核素衰變放射出的特征射線對(duì)HPGe譜儀進(jìn)行能量刻度,即可得到HPGe譜儀的能量-道址函數(shù)。本實(shí)驗(yàn)選用241Am、60Co、137Cs、22Na、88Y、109Cd六種核素,能量范圍覆蓋了22～1 836 keV。最終得到的能量-道址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6 HPGe譜儀的能量-道地址校準(zhǔn)

進(jìn)行線性擬合得到函數(shù):

E=0.183×Channel+0.009

(3)

式中:E為射線能量;Channel為道址。

因醫(yī)用高劑量率192Ir輻射源活度過高,直接測(cè)量能譜的話,會(huì)導(dǎo)致HPGe譜儀收到的脈沖信號(hào)過多,導(dǎo)致儀器的死時(shí)間過長(zhǎng),無法正常工作。在輻照器光闌[12]出射口處增加厚度為5 cm,孔徑為1 mm的鉛質(zhì)光闌進(jìn)行限束并進(jìn)一步準(zhǔn)直,將大部分的光子進(jìn)行屏蔽;同時(shí),通過改變HPGe譜儀距離輻射源中心的位置,最終確定在距離輻射源2.5 m的位置進(jìn)行能譜的測(cè)量,此種測(cè)量環(huán)境可保持HPGe譜儀處于較好的工作狀態(tài),保證譜形不發(fā)生變化的同時(shí)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的死時(shí)間控制在10%以下。實(shí)際測(cè)量中儀器擺放位置如圖7。能譜測(cè)量結(jié)果如圖8。

圖7 能譜測(cè)量?jī)x器擺放位置

圖8 能譜測(cè)量結(jié)果

4.2 能譜模擬

根據(jù)輻射源結(jié)構(gòu),利用蒙特卡羅軟件對(duì)輻射源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模[13～15],考慮輻射源包殼對(duì)低能光子的影響以及空氣散射[16,17],輸入能量為“Ir-192_tables”能譜[10]。對(duì)國產(chǎn)醫(yī)用192Ir輻射源的能譜進(jìn)行了模擬,得出的能譜如圖9。

圖9 醫(yī)用192Ir源模擬能譜

通過2個(gè)能譜的比較,發(fā)現(xiàn)HPGe譜儀的測(cè)量譜與蒙特卡羅模擬軟件計(jì)算的模擬譜契合度良好,沒有明顯差別。

5 半值層及有效能量測(cè)量

半值層是表示光子穿透物質(zhì)能量的特征參數(shù)[18]。高劑量率192Ir輻射源為密封源,密封于厚度為0.15 mm的不銹鋼材料中。高能射線通過不銹鋼材料衰減后,其低能部分光子衰減份額要高于高能部分光子的衰減份額,因此會(huì)導(dǎo)致其平均能量或有效能量變的高于其192Ir裸源的平均能量或有效能量。為進(jìn)一步表征醫(yī)用192Ir輻射源的有效能量,故進(jìn)行了醫(yī)用192Ir輻射源γ射線半值層(HVL)的測(cè)量及其有效能量的評(píng)估。

由于192Ir輻射源γ射線并不是單一能量,而是多個(gè)獨(dú)立的能量,相同半值層(HVL)可能對(duì)應(yīng)不同的能譜成分。半值層(HVL)是使射線束在某一點(diǎn)的劑量率減少一半時(shí)所需要的某種材料(鋁、銅或鉛)的厚度。

在半值層測(cè)量時(shí),參考ISO 4037-1[19,20]中過濾X射線半值層的測(cè)量方法,將銅吸收片置于距離輻射源50 cm的位置處,測(cè)量用的電離室置于距離輻射源1 m的位置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)儀器擺放位置如圖10,測(cè)量結(jié)果如圖11。

圖10 半值層測(cè)量示意圖

圖11 半值層測(cè)量數(shù)據(jù)線性擬合曲線

通過在NIST官網(wǎng)查詢銅材料對(duì)于不同單能能量的質(zhì)量衰減系數(shù)μ/ρ,通過插值的方法得出所測(cè)量半值層對(duì)應(yīng)的有效能量。最終得出所用192Ir輻射源半值層及有效能量如表8所示。

表8 半值層及有效能量

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)搭建了用于高劑量率192Ir近距離放射治療源參考空氣比釋動(dòng)能率絕對(duì)測(cè)量的參考輻射場(chǎng)。其中,設(shè)計(jì)了專用的輻照器,定制了多軸定位導(dǎo)軌。并確定了輻照器內(nèi)源的最佳位置,對(duì)輻射場(chǎng)的散射、輻射野、能譜、半值層等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量或模擬。最終確定,輻照器內(nèi)源的最佳位置為1 026 mm,參考輻射場(chǎng)的散射份額低于主射束的0.003%,輻射野的直徑為98 mm,HPGe探測(cè)器測(cè)量的能譜與蒙特卡羅模擬譜契合度較高,半值層測(cè)量結(jié)果為8.244 mm(Cu)。各項(xiàng)參數(shù)均滿足了192Ir放射源參考空氣比釋動(dòng)能率量值復(fù)現(xiàn)的要求,為其絕對(duì)測(cè)量與國際比對(duì)打下基礎(chǔ)。