轻离子束射程及其稳定性测量的方法

王培臣，付国涛，焦春营，谢士兵

北京市医疗器械检验所 （北京 101111）

按照IEC 60601-2-64：2014[1]的定义，轻离子束是指原子序数Z ≤10的离子束，目前在临床上以质子束和碳离子束为主。当轻离子束穿过介质时，在接近其行程的末端产生的剂量分布——Bragg 峰，被认为是放射治疗最为突出的优势而得到广泛的认同。Bragg 峰在介质中的位置由轻离子的入射单核能决定，由于医用轻离子束设备引出的离子束的单核能与最后配送到患者体表的离子束单核能可能发生改变，为了反映离子束的真实穿透性，在临床上通常用离子束射程来代替离子束的单核能。在放射治疗实践中，与Bragg 峰位置直接相关的轻离子束射程的准确性和稳定性都会对患者治疗的剂量分布产生不利影响，因此，必须通过试验进行精确测量确定。

按照IEC 62667：2017[2]定义，轻离子束射程是指在规定的辐射野参考轴上，水等效模体表面距设备参考点为规定距离处，非射程调制射野的吸收剂量为Bragg 峰吸收剂量的80%远端深度（R80），见图1。轻离子束射程稳定性是指在2 min 辐照时间内，取样时间间隔不超过3 s，在轻离子Bragg 峰下降沿，50%峰值对应的深度（R50）随时间变化的最大偏差。

图1 深度剂量曲线示意图

1 测量方法

1.1 仪器设备

本试验使用的主要设备和探测器包括PTW MP3-P45三维扫描水模体、TM34070-2.5 Bragg 峰扫描电离室、TM34073-2.5 Bragg 峰监测电离室，2种型号的电离室基本参数见表1。

表1 电离室基本参数

1.2 试验方法

1.2.1 深度剂量曲线测量

试验布置如图2所示，三维水模体（或等效水模体）表面距离设备参考点为规定距离处（本试验模体表面设定在设备参考点），且垂直于轻离子辐射束轴。沿辐射束轴且与之相垂直的平面，放置一个电离室作为参考电离室，位于靠近辐射头的辐射束中，用于监测入射剂量；放置另一个电离室作为扫描电离室，位于水模体中，用于扫描测量辐射束轴上任一点的剂量。对于水模体中辐射束轴上的每一个点，计算扫描电离室测量的该点剂量与参考电离室测量的对应入射剂量的比值（相对剂量），并归一到最大剂量点，绘制水深作为相对剂量曲线，确定曲线远端80%相对剂量对应的水深，即为轻离子束射程。

图2 射程测量布局示意图

1.2.2 射程稳定性测量

试验布置同深度剂量曲线测量，将扫描电离室表面设置在大约R50位置处，如图1所示。在连续输出辐射2 min 内，以每次间隔不超过3 s，对扫描电离室测量的剂量和参考电离室监测的剂量值进行采样，并计算其比值，根据图1中该点的剂量梯度，将比值的变化转化为射程的变化，给出射程变化的最大值，即为射程稳定性。

1.2.3 结果的报告

对每一种轻离子，分别对最小、（最大+最小）/2和最大3个单核能的射程和对应的稳定性报告测量结果。

2 结果与讨论

2.1 结果

表2为一台碳离子加速器的最小单核能120 MeV 、中间单核能260 MeV 和最大单核能400 MeV 的C6+离子束射程和稳定性的测量结果，图3、5、7均为其深度剂量曲线，图4、6、8为对应的Bragg 峰区曲线。

表2 深度剂量曲线特性

图3 120 MeV C6+离子深度剂量曲线

图4 120 MeV C6+离子Bragg 峰区曲线

图5 260 MeV C6+离子深度剂量曲线

图6 260 MeV C6+离子Bragg 峰区曲线

图7 400 MeV C6+离子深度剂量曲线

图8 400 MeV C6+离子Bragg 峰区曲线

2.2 讨论

2.2.1 引出束流传输路径对轻离子射程的影响

由于轻离子束射程定义不同，给出的结果可能略有不同。通常，粒子物理中单能带电粒子在物质中的射程如下：

其中，dE 为轻离子的入射能量，-dE/dx 为轻离子的电离能量损失率，用Bethe-Block[3]公式描述。本研究中采用的是IEC 62667：2017标准中的定义，通过试验测定法确定轻离子束的射程。例如，对于单核能为400 MeV 的C6+离子，本方法的测量结果为265.55 mm，而采用上述定义通过Monte-Carlo 模拟计算得到的Bragg 峰位置就已达到274.8 mm[4]，大于IEC 62667：2017标准方法测量值。经分析，产生这种现象的主要原因为，在试验中发现，C6+离子束在加速器引出端口至水模体表面之间的束流传输路径上，为自由空气介质而非真空，由于空气的散射造成C6+离子束能量的非预期损失，使得入射水模体表面处的C6+离子束能量低于加速器标称引出能量，进而导致试验测量的射程值低于Monte-Carlo 计算值。由此可进一步推论，在实际放射治疗过程中，应充分考虑束流引出端至患者体表之间束流传输路径上的介质对束流能量衰减的影响，特别注意避免在束流传输路径上插入非预期介质，以免影响离子束射程的预期位置。同时，为了防止加速器输出端输出能量的非预期降低，应采取防护措施防止离子束传输路径上非预期介质的插入，具体措施包括增加传输路径上的真空管路，缩短束流在空气中的传输距离，增加安全联锁装置等。

2.2.2 探测器对射程测量的影响

由表1参数可知，扫描电离室的灵敏厚度为2 mm，因此可以近似估计被测离子束流深度剂量曲线的空间分辨力为1 mm。在剂量梯度变化较小的区域（如坪区），测量曲线与实际深度剂量分布误差较小，但在剂量梯度变化较大的区域，特别是Bragg 峰区，测量曲线与实际深度剂量分布之间可能存在较大误差，因此，从扫描电离室的固有空间分辨力来粗略地估计，对射程剂量（Bragg 峰下降沿80%对应的深度）结果的影响为1 mm。另外，在离子束流小区域高剂量（如高剂量小束斑）情况下，考虑到由于高电离密度带来的离子对复合效应对扫描电离室测量结果的影响，特别是在Bragg 峰区，可能会造成电离室测量结果低于实际剂量值，从而影响离子束射程测量结果，因此，在必要时应对电离室的测量结果作离子对复合修正。需要注意的是，在测量束斑深度曲线时，通常得到的是深度电离曲线而非深度剂量曲线，在这种情况下，为了得到深度剂量曲线，需要利用束斑在每个深度的横向电离或剂量分布曲线，将深度电离曲线转换为深度剂量曲线。

2.2.3 探测器对轻离子射程稳定性测量的影响

由表2可以看出，被测碳离子加速器单核能在120～400 MeV，其Bragg 峰下降沿80%～20%的宽度为0.42 ～1.60 mm，且离子束单核能越低，梯度变化越大，因此，在测量碳离子束射程稳定性时，选择的平行板探测器应具有足够深度方向的空间分辨力。鉴于目前用于测量轻离子束Bragg 峰的平行板电离室技术水平限制，难以找到灵敏体积厚度更小的探测器，因此，在测量射程稳定性时，测量结果可能存在较大的不确定性，参见2.2.2。此外，由图1～8还可以看出，被测碳离子加速器单核能为120～400 MeV，其Bragg 峰上升沿梯度变化与下降沿相比相对平缓，可以满足测量射程稳定性的需求，建议采用上升沿上适当的位置测量射程的稳定性。在测量射程稳定性时，连续监测2 min，取样间隔≤3 s，对于回旋加速器是完全可行的，但对于同步加速器，由于束流的引出通常是周期性脉冲输出（如束流输出脉冲周期为8 s：加载2 s，空载6 s），上述试验条件难于满足，建议制造商给出具体的试验方法（如连续2 min 的加载脉冲之间的射程稳定性）。

3 小结

随着我国轻离子治疗设备在临床上的应用，对其性能指标的测量与评价显得极为重要。由于我国目前在评价其性能方面无测量方法可遵循，所以需要不断地尝试和探索新的测量方法，以期最终达成统一。轻离子束射程和射程稳定性是医用轻离子加速器的重要性能指标，本研究依据IEC 62667：2017标准，介绍了一种轻离子束射程和射程稳定性的试验方法，试验验证表明，该测量方法可行，可用于非调制轻离子束射程及其稳定性指标的测量与评价。从碳离子束的测量结果来看，轻离子在配送路径上的能量损失、电离室的选择、Bragg 峰曲线测量位置的选择、加速器束流引出特性等因素均会对轻离子束射程及其稳定性测量结果产生影响，通过对上述影响因素的讨论和建议，望能够尽早将这些影响因素消除或降至最低，使轻离子设备的射程和稳定性指标得到更加合理和客观的评价。