10-50 kV X射线水吸收剂量的测量与研究

周振杰 任世伟 吴金杰 刘 莹,3 余继利,4 赵 瑞,4 康佳佳 杨 扬（河北科技大学 石家庄 05008）

2（中国计量科学研究院 北京 100029）

3（南华大学 衡阳 421001）

4（成都理工大学 成都 610059）

10-50 kV X射线水吸收剂量的测量与研究

周振杰1,2任世伟1吴金杰2刘 莹2,3余继利2,4赵 瑞2,4康佳佳1,2杨 扬21（河北科技大学 石家庄 050018）

2（中国计量科学研究院 北京 100029）

3（南华大学 衡阳 421001）

4（成都理工大学 成都 610059）

X射线水吸收剂量是辐射剂量学的重要物理量，它的精确测量在放射治疗中至关重要。开展低能X射线水吸收剂量的研究与测量，可为完善水吸收剂量溯源体系及扩宽计量部门校准范围提供重要技术支持。确定低能X射线水吸收剂量的测量方法，在辐射场中使用PTW23344电离室对10-50 kV的治疗水平辐射质下的X射线水吸收剂量进行了测量。最终得到了电离室的水吸收剂量刻度因子ND以及厚度为6 cm有机玻璃前表面的水吸收剂量DW。本项工作为建立国内X射线水吸收剂量标准及进行国际比对提供了条件和基础。

X射线水吸收剂量，半值层，同质系数，扰动因子，背散射因子

水吸收剂量是指被单位质量的水介质吸收的全部电离辐射的能量。在肿瘤放射治疗中，电离辐射在人体组织中能量沉积的多少，直接影响到正常组织及肿瘤细胞的生物学效应。由于水是最接近人体组织的等效物质，对辐射产生的生物效应相似，因此准确测量辐射束在水中的吸收剂量能较合理地度量患者吸收辐射剂量的多少[1-2]。

对于X射线水吸收剂量，国际上许多初级标准剂量学实验室通过水量热计复现了管电压高于100kV的X射线辐射质下的水吸收剂量，如德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)[3]、荷兰计量研究院(Netherlands National Institute of Metrology, NMI)[4]等。水量热计是根据物质的比热和受射线辐照后的温升来测量测定水吸收剂量的，但X射线管电压低于100 kV，尤其是低于60 kV时，水受辐照后的温升极小而难以测量。

2004年国际原子能机构(International Atomic Energy Agency, IAEA)发表的TRS-398报告[5]给出了低能（管电压低于60 kV）X射线水吸收剂量的测量方法是使用平板型电离室在有机玻璃模体前表面测量。目前，国内关于低能X射线水吸收剂量的文献很少，国际上也没有各个初级标准剂量学实验室之间的比对信息。TRS-398报告中给出的低能X射线水吸收剂量的计算公式与Klevenhagen等[6]给出的计算公式相比，引入了背散射因子B。为探究低能X射线水吸收剂量测量时，B的数值是否可以忽略不计，本文对管电压为10-50 kV的X射线水吸收剂量进行了测量与研究，得到了PTW23344型电离室的水吸收剂量刻度因子ND以及厚度为6 cm有机玻璃前表面的水吸收剂量DW。

图1 测量示意图Fig.1 Schematic diagram of measurement.

1 测量原理

1996年，Klevenhagen等[6]根据半值层HVL取值范围将管电压低于300 kV的X射线分为0.035-1 mm Al（管电压8-50 kV）、1-8 mm Al（管电压50-160 kV)、0.5-4 mm Cu（管电压160-300kV）三个阶段，详细介绍了水吸收剂量的测量方法。对于半值层在0.035-1 mm Al范围内的X射线水吸收剂量的计算公式为：

式中：M为测量的经温度气压修正的电离电荷；NK为电离室空气比释动能刻度因子；kch为电离室的扰动因子为空气中水与空气的质能吸收系数之比。而IAEA TRS-398参考技术报告中给出了电离法复现低能X射线水吸收剂量的公式：

式中：NW为电离室水吸收剂量刻度因子。式(1)与式(2)相比可知，式(1)缺少了散射因子。由式(2)可知，若由电离法得到X射线水吸收剂量，就必须先得到同时是否引用B还需实验测量得出结论。

实验中根据测量要求，选用PTW23344型电离室和30 cm×30 cm×6 cm的有机玻璃模体，在基准辐射场下进行测量，测量示意图如图1所示。

2 实验测量

2.1 电离室的刻度

首先，参考检定规程建立了管电压为10-50 kV的治疗水平辐射质[7]，具体数据如表1所示。

表1 治疗水平X射线辐射质Table1 Therapeutic levels of X-ray radiation.

实验中根据测量要求，选用PTW23344型电离室进行测量，该电离室的空气比释动能刻度因子可由式(3)求得：

式中：K为基准电离室绝对测量的空气比释动能；Q为空气中电离室测得的电离电荷。根据国际惯例，传递电离室测量时温度气压需要修正，参考条件为20 °C、101.325 kPa。温度气压修正式为：

根据式(4)，使用低能基准电离室复现10-50 kV辐射之下的 X射线治疗水平辐射质下的空气比释动能，然后对PTW23344电离室进行了刻度，得到了NK。

2.2 水与空气的质能吸收系数之比与扰动因子

在美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology, NIST)公布的数据库[8]中可以查到，不同能量的单能光子在水中和在空气中的质能吸收系数，二者做商可得到根据实际需求，选取光子能量在4-20 keV范围内的数据，数据拟合出相应关系，如图2所示。

图2 NIST数据库中4-20 keV范围内光子能量与水与空气的质能吸收系数之比的对应关系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.

而通过Klevenhagen等[6]的数据，可得到半值层(Al)在0.03-8 mm内的空气中质能吸收系数之比与半值层的对应关系，其值在1.018-1.047内，如图3所示。通过半值层内插即可得到各个辐射质对应的

电离室扰动因子是为了修正空气腔和室壁材料置换成水后对辐射场的扰动影响，它的取值对水吸

收剂量的计算有一定程度的影响。文献[9]中列表给出了半值层为0.04-1 mm Al范围内的PTW23344型电离室的扰动因子与半值层对应关系，扰动因子的取值在1.01-1.07内，如图4所示。

图3 半值层(Al)与空气中质能吸收系数之比的对应关系Fig.3 Corresponding relationship between the half value layer (Al) and the ratio of absorption coefficient in air.

图4 PTW23344电离室的扰动因子与半值层(Al)的对应关系Fig.4 Relationship between the perturbation factor of PTW23344 ionization chamber and the half value layer (Al).

通过查表内插，即可得到PTW23344型电离室在各个X射线辐射质下的扰动因子。

2.3 背散射因子B

当X射线向患者照射时，由射线的散射使得在皮肤表面的吸收剂量增加，需要引入B[10]。在实际测量中，B等于有体模与无体模时测量值的比值：

式中：Di为有模体时电离室的测量值；Dh为无模体时电离室的测量值。

表2 10-50 kV的治疗水平辐射质下X射线水吸收剂量Table 2 Water absorption dose in 10-50 kV X-ray.

B可通过实验具体测量得到，测量步骤如下：

1) 将PTW23344电离室嵌入有加工设计的有机玻璃夹具内，电离室收集极几何中心与有机玻璃前表面等高；

2) 通过三维移动平台，调节电离室几何中心与光管焦斑的距离，电离室收集极几何中心在辐射野中心点；

3) 电离室连接测量系统，收集极电压为+400V，测量时间为60 s，此时测量的修正电荷即为M；

4) 将不同厚度的有机玻璃板固定在电离室后边面，测量并记录对应电离电荷处理数据，拟合出B与模体厚度的变化曲线，如图5所示。

图5 背散射因子与模体厚度的对应关系Fig.5 Relationship between the back scattering factor and the phantom thickness.

从图5中可以看出，各个X射线治疗水平辐射质下，B随着光子能量而增加，而且有机玻璃板达到一定厚度时，B均达到稳定值。TRS-398报告在测量低能X射线水吸收剂量时，有机玻璃板的厚度推荐为6 cm，故B取值为有机玻璃板厚度为6 cm时所对应的值。

至此，根据式(2)计算可得到10-50 kV的治疗水平辐射质下的水吸收剂量，计算公式各个分量汇总列于表2。

3 结语

此次确定了低能X射线水吸收剂量的测量方法，通过实验测量，得到了B不能忽略的结论，同时测量了模体厚度为6 cm时的10-50 kV的治疗水平辐射质下的水吸收剂量，为进行X射线水吸收剂量的研究奠定了基础与条件。由于实验条件的限制，还不能实际测量得到所建辐射质下的水与空气的质能吸收系数之比与电离室的扰动因子，只能通过引用文献数据获得。同时文中引用数据时发现，通过NIST数据库给出的数值进行拟合，得到的水与空气的质能吸收系数之比的数值大于Klevenhagen等给出的数值，偏差在0.47%左右。NIST数据库中给出的X光子是单能光子，而Klevenhagen等的测量条件是X光机产生的X射线，是一个连续谱。严格意义上，即使单能X射线的能量与连续谱X射线的有效能量在数值上一样，二者也不完全等效，固引用后者数据，更符合实际操作，更具有说服性。

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

2 陈少文, 黄龙, 吴木营, 等. 电子和光子剂量点核和吸收剂量分布的蒙特卡罗计算[J]. 核技术, 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: 治疗水平电离室剂量计检定规程[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

国家自然科学基金(No.11505178)、国家科研院所研究开发专项(No.25-CXNL1401)资助

周振杰，男，1990年出生，2014年毕业于河北科技大学，现为硕士研究生，主要从事X射线计量研究

吴金杰，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