10-50 kV X射線水吸收劑量的測(cè)量與研究

周振杰 任世偉 吳金杰 劉 瑩,3 余繼利,4 趙 瑞,4 康佳佳 楊 揚(yáng)（河北科技大學(xué) 石家莊 05008）

2（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029）

3（南華大學(xué) 衡陽(yáng) 421001）

4（成都理工大學(xué) 成都 610059）

10-50 kV X射線水吸收劑量的測(cè)量與研究

周振杰1,2任世偉1吳金杰2劉 瑩2,3余繼利2,4趙 瑞2,4康佳佳1,2楊 揚(yáng)21（河北科技大學(xué) 石家莊 050018）

2（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029）

3（南華大學(xué) 衡陽(yáng) 421001）

4（成都理工大學(xué) 成都 610059）

X射線水吸收劑量是輻射劑量學(xué)的重要物理量，它的精確測(cè)量在放射治療中至關(guān)重要。開(kāi)展低能X射線水吸收劑量的研究與測(cè)量，可為完善水吸收劑量溯源體系及擴(kuò)寬計(jì)量部門(mén)校準(zhǔn)范圍提供重要技術(shù)支持。確定低能X射線水吸收劑量的測(cè)量方法，在輻射場(chǎng)中使用PTW23344電離室對(duì)10-50 kV的治療水平輻射質(zhì)下的X射線水吸收劑量進(jìn)行了測(cè)量。最終得到了電離室的水吸收劑量刻度因子ND以及厚度為6 cm有機(jī)玻璃前表面的水吸收劑量DW。本項(xiàng)工作為建立國(guó)內(nèi)X射線水吸收劑量標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)行國(guó)際比對(duì)提供了條件和基礎(chǔ)。

X射線水吸收劑量，半值層，同質(zhì)系數(shù)，擾動(dòng)因子，背散射因子

水吸收劑量是指被單位質(zhì)量的水介質(zhì)吸收的全部電離輻射的能量。在腫瘤放射治療中，電離輻射在人體組織中能量沉積的多少，直接影響到正常組織及腫瘤細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)。由于水是最接近人體組織的等效物質(zhì)，對(duì)輻射產(chǎn)生的生物效應(yīng)相似，因此準(zhǔn)確測(cè)量輻射束在水中的吸收劑量能較合理地度量患者吸收輻射劑量的多少[1-2]。

對(duì)于X射線水吸收劑量，國(guó)際上許多初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)水量熱計(jì)復(fù)現(xiàn)了管電壓高于100kV的X射線輻射質(zhì)下的水吸收劑量，如德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)[3]、荷蘭計(jì)量研究院(Netherlands National Institute of Metrology, NMI)[4]等。水量熱計(jì)是根據(jù)物質(zhì)的比熱和受射線輻照后的溫升來(lái)測(cè)量測(cè)定水吸收劑量的，但X射線管電壓低于100 kV，尤其是低于60 kV時(shí)，水受輻照后的溫升極小而難以測(cè)量。

2004年國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(International Atomic Energy Agency, IAEA)發(fā)表的TRS-398報(bào)告[5]給出了低能（管電壓低于60 kV）X射線水吸收劑量的測(cè)量方法是使用平板型電離室在有機(jī)玻璃模體前表面測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于低能X射線水吸收劑量的文獻(xiàn)很少，國(guó)際上也沒(méi)有各個(gè)初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室之間的比對(duì)信息。TRS-398報(bào)告中給出的低能X射線水吸收劑量的計(jì)算公式與Klevenhagen等[6]給出的計(jì)算公式相比，引入了背散射因子B。為探究低能X射線水吸收劑量測(cè)量時(shí)，B的數(shù)值是否可以忽略不計(jì)，本文對(duì)管電壓為10-50 kV的X射線水吸收劑量進(jìn)行了測(cè)量與研究，得到了PTW23344型電離室的水吸收劑量刻度因子ND以及厚度為6 cm有機(jī)玻璃前表面的水吸收劑量DW。

圖1 測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement.

1 測(cè)量原理

1996年，Klevenhagen等[6]根據(jù)半值層HVL取值范圍將管電壓低于300 kV的X射線分為0.035-1 mm Al（管電壓8-50 kV）、1-8 mm Al（管電壓50-160 kV)、0.5-4 mm Cu（管電壓160-300kV）三個(gè)階段，詳細(xì)介紹了水吸收劑量的測(cè)量方法。對(duì)于半值層在0.035-1 mm Al范圍內(nèi)的X射線水吸收劑量的計(jì)算公式為：

式中：M為測(cè)量的經(jīng)溫度氣壓修正的電離電荷；NK為電離室空氣比釋動(dòng)能刻度因子；kch為電離室的擾動(dòng)因子為空氣中水與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比。而IAEA TRS-398參考技術(shù)報(bào)告中給出了電離法復(fù)現(xiàn)低能X射線水吸收劑量的公式：

式中：NW為電離室水吸收劑量刻度因子。式(1)與式(2)相比可知，式(1)缺少了散射因子。由式(2)可知，若由電離法得到X射線水吸收劑量，就必須先得到同時(shí)是否引用B還需實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)量要求，選用PTW23344型電離室和30 cm×30 cm×6 cm的有機(jī)玻璃模體，在基準(zhǔn)輻射場(chǎng)下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量示意圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 電離室的刻度

首先，參考檢定規(guī)程建立了管電壓為10-50 kV的治療水平輻射質(zhì)[7]，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 治療水平X射線輻射質(zhì)Table1 Therapeutic levels of X-ray radiation.

實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測(cè)量要求，選用PTW23344型電離室進(jìn)行測(cè)量，該電離室的空氣比釋動(dòng)能刻度因子可由式(3)求得：

式中：K為基準(zhǔn)電離室絕對(duì)測(cè)量的空氣比釋動(dòng)能；Q為空氣中電離室測(cè)得的電離電荷。根據(jù)國(guó)際慣例，傳遞電離室測(cè)量時(shí)溫度氣壓需要修正，參考條件為20 °C、101.325 kPa。溫度氣壓修正式為：

根據(jù)式(4)，使用低能基準(zhǔn)電離室復(fù)現(xiàn)10-50 kV輻射之下的 X射線治療水平輻射質(zhì)下的空氣比釋動(dòng)能，然后對(duì)PTW23344電離室進(jìn)行了刻度，得到了NK。

2.2 水與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比與擾動(dòng)因子

在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)公布的數(shù)據(jù)庫(kù)[8]中可以查到，不同能量的單能光子在水中和在空氣中的質(zhì)能吸收系數(shù)，二者做商可得到根據(jù)實(shí)際需求，選取光子能量在4-20 keV范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合出相應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 NIST數(shù)據(jù)庫(kù)中4-20 keV范圍內(nèi)光子能量與水與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relationship between the photon energy and the ratio of mass energy absorption coefficient of water and air in the 4-20 keV of NIST database.

而通過(guò)Klevenhagen等[6]的數(shù)據(jù)，可得到半值層(Al)在0.03-8 mm內(nèi)的空氣中質(zhì)能吸收系數(shù)之比與半值層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其值在1.018-1.047內(nèi)，如圖3所示。通過(guò)半值層內(nèi)插即可得到各個(gè)輻射質(zhì)對(duì)應(yīng)的

電離室擾動(dòng)因子是為了修正空氣腔和室壁材料置換成水后對(duì)輻射場(chǎng)的擾動(dòng)影響，它的取值對(duì)水吸

收劑量的計(jì)算有一定程度的影響。文獻(xiàn)[9]中列表給出了半值層為0.04-1 mm Al范圍內(nèi)的PTW23344型電離室的擾動(dòng)因子與半值層對(duì)應(yīng)關(guān)系，擾動(dòng)因子的取值在1.01-1.07內(nèi)，如圖4所示。

圖3 半值層(Al)與空氣中質(zhì)能吸收系數(shù)之比的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding relationship between the half value layer (Al) and the ratio of absorption coefficient in air.

圖4 PTW23344電離室的擾動(dòng)因子與半值層(Al)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Relationship between the perturbation factor of PTW23344 ionization chamber and the half value layer (Al).

通過(guò)查表內(nèi)插，即可得到PTW23344型電離室在各個(gè)X射線輻射質(zhì)下的擾動(dòng)因子。

2.3 背散射因子B

當(dāng)X射線向患者照射時(shí)，由射線的散射使得在皮膚表面的吸收劑量增加，需要引入B[10]。在實(shí)際測(cè)量中，B等于有體模與無(wú)體模時(shí)測(cè)量值的比值：

式中：Di為有模體時(shí)電離室的測(cè)量值；Dh為無(wú)模體時(shí)電離室的測(cè)量值。

表2 10-50 kV的治療水平輻射質(zhì)下X射線水吸收劑量Table 2 Water absorption dose in 10-50 kV X-ray.

B可通過(guò)實(shí)驗(yàn)具體測(cè)量得到，測(cè)量步驟如下：

1) 將PTW23344電離室嵌入有加工設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃夾具內(nèi)，電離室收集極幾何中心與有機(jī)玻璃前表面等高；

2) 通過(guò)三維移動(dòng)平臺(tái)，調(diào)節(jié)電離室?guī)缀沃行呐c光管焦斑的距離，電離室收集極幾何中心在輻射野中心點(diǎn)；

3) 電離室連接測(cè)量系統(tǒng)，收集極電壓為+400V，測(cè)量時(shí)間為60 s，此時(shí)測(cè)量的修正電荷即為M；

4) 將不同厚度的有機(jī)玻璃板固定在電離室后邊面，測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)電離電荷處理數(shù)據(jù)，擬合出B與模體厚度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 背散射因子與模體厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Relationship between the back scattering factor and the phantom thickness.

從圖5中可以看出，各個(gè)X射線治療水平輻射質(zhì)下，B隨著光子能量而增加，而且有機(jī)玻璃板達(dá)到一定厚度時(shí)，B均達(dá)到穩(wěn)定值。TRS-398報(bào)告在測(cè)量低能X射線水吸收劑量時(shí)，有機(jī)玻璃板的厚度推薦為6 cm，故B取值為有機(jī)玻璃板厚度為6 cm時(shí)所對(duì)應(yīng)的值。

至此，根據(jù)式(2)計(jì)算可得到10-50 kV的治療水平輻射質(zhì)下的水吸收劑量，計(jì)算公式各個(gè)分量匯總列于表2。

3 結(jié)語(yǔ)

此次確定了低能X射線水吸收劑量的測(cè)量方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到了B不能忽略的結(jié)論，同時(shí)測(cè)量了模體厚度為6 cm時(shí)的10-50 kV的治療水平輻射質(zhì)下的水吸收劑量，為進(jìn)行X射線水吸收劑量的研究奠定了基礎(chǔ)與條件。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，還不能實(shí)際測(cè)量得到所建輻射質(zhì)下的水與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比與電離室的擾動(dòng)因子，只能通過(guò)引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)獲得。同時(shí)文中引用數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)NIST數(shù)據(jù)庫(kù)給出的數(shù)值進(jìn)行擬合，得到的水與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比的數(shù)值大于Klevenhagen等給出的數(shù)值，偏差在0.47%左右。NIST數(shù)據(jù)庫(kù)中給出的X光子是單能光子，而Klevenhagen等的測(cè)量條件是X光機(jī)產(chǎn)生的X射線，是一個(gè)連續(xù)譜。嚴(yán)格意義上，即使單能X射線的能量與連續(xù)譜X射線的有效能量在數(shù)值上一樣，二者也不完全等效，固引用后者數(shù)據(jù)，更符合實(shí)際操作，更具有說(shuō)服性。

1 IAEA. Absorbed dose determination in photon and electron beams: an adaptation of the IAEA international codes of practice[R]. Vienna, 1998

2 陳少文, 黃龍, 吳木營(yíng), 等. 電子和光子劑量點(diǎn)核和吸收劑量分布的蒙特卡羅計(jì)算[J]. 核技術(shù), 2013, 36(7): 070205. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.070205 CHEN Shaowen, HUANG Long, WU Muying, et al. Monte Carlo calculation of dose point kernel and absorbed dose distribution for electrons and photons[J]. Nuclear Technique, 2013, 36(7): 070205. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.070205

3 Krauss A, Büermann L, Kramer H M, et al. Calorimetric determination of the absorbed dose to water for medium-energy X-rays with generating voltages from 70 kV to 280 kV[J]. Physics in Medicine and Biology, 2012, 57: 6245-6268. DOI: 10.1088/0031-9155/57/19/ 6245

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5 IAEA. Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: an international code of practice for dosimetry based on standards of aborsbed dose to water[R]. Vienna, 2000: 398

6 Klevenhagen S K, Aukett R J, Harrison R M, et al. The IPEMB code of practice for the determination of absorbed dose for X-rays below 300 kV generating potential (0.035 mm Al-4 mm Cu HVL; 10-300 kV generating potential)[J]. Physics in Medicine and Biology, 1996, 41: 2605-2625

7 JJG912-2010: 治療水平電離室劑量計(jì)檢定規(guī)程[S]. 2010 JJG912-2010: Treatment standard in the ionization chamber calibration procedures[S]. 2010

8 NIST. X-ray mass attenuation coefficients[DB/OL]. 1996. http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4. html

9 Aukett R J, Burns J E, Greener A G, et al. Addendum to the IPEMB code of practice for the determination of absorbed dose for X-rays below 300 kV generating potential (0.035 mm Al-4 mm Cu HVL)[J]. Physics in Medicine and Biology, 2005, 50: 2739-2748. DOI: 10.1088/0031-9155/50/12/001

10 Chicaa U, Florez G, Anguiano M, et al. A simple analytical expression to calculate the back scatter factor for low energy X-ray beams[J]. Physica Medica, 2011, 27: 75-80

Study and measurement of the water absorbed dose in 10-50 kV X-ray

ZHOU Zhenjie1,2REN Shiwei1WU Jinjie2LIU Ying2,3Yu Jili2,4ZHAO Rui2,4KANG Jiajia1,2YANG Yang21(Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)
2(National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)
3(University of South China, Hengyang 421001, China)
4(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Background: The water absorbed dose in X-ray is an important physical quantity of radiation dosimetry, whose accurate measurement is important in radiation therapy. Purpose: The research and measurement of water absorbed dose in low-energy X-ray can provide great technical support for improving the traceability system of water absorption dose and widening the calibration range of measurement department. Methods: The water absorbed dose in 10-50 kV X-ray was measured using PTW23344 ionization chamber in radiation field. Results: Finally, the water absorbed dose scale factor of the PTW23344 ionization chamber and water absorbed dose at the front surface of the 6-cm organic glass were obtained. Conclusion: This work provides the foundation for establishment of domestic X-ray water absorbed dose standard and its international comparison.

Water absorbed dose in X-ray, Half value layer, Homogeneous coefficient, Perturbation factor, Back scattering factor

ZHOU Zhenjie, male, born in 1990, graduated from Hebei University of Science and Technology in 2014, master student, focusing on X-ray measurement

WU Jinjie, E-mail: wujj@nim.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.120201

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11505178)、國(guó)家科研院所研究開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(No.25-CXNL1401)資助

周振杰，男，1990年出生，2014年畢業(yè)于河北科技大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事X射線計(jì)量研究

吳金杰，E-mail: wujj@nim.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11505178), Research and Development Project of National Scientific Research Institute (No.25-CXNL1401)

2016-03-07，

2016-10-15