高剂量率192Ir γ射线参考辐射场的搭建

支世杰, 王 继, 王培玮, 吴金杰, 任世伟

(1.华北理工大学附属医院 放疗科，河北 唐山 063000；2.中国计量科学研究院，北京 100029；3.河北科技大学 理学院，河北 石家庄 050018)

1 引 言

在放射治疗领域,根据射线源的不同可具体分为密封源治疗和非密封源治疗。其中密封源治疗又包括了远距离治疗和近距离治疗。在近距离治疗中,高剂量率192Ir近距离治疗是非常重要的一种治疗手段[1]。

高剂量率192Ir近距离治疗由于剂量率高,且直接与病变组织接触,可以在较短的时间内对恶性肿瘤进行大剂量的照射,因此对于宫颈癌[2,3]、前列腺癌[4]等恶性肿瘤具有较好的治疗效果。

国际计量局(BIPM)在电离辐射剂量领域开展的国际关键比对共有9项,截止2021年中国计量科学研究院参比项目共有7项。完成BIPM.RI(I)-K8的比对工作[5,6],将进一步拉近我国与先进国家辐射剂量学领域计量能力的差距,提升我国测量和校准能力,提高涉及经济商贸的测量检验计量互认协议的地位。参考辐射场的搭建将为192Ir参考空气比释动能率量值复现及国际比对等工作打下基础。

2 辐照器的设计

2.1 辐照器设计

辐照器承担了射束准直、消除环境散射等作用,可为实验测量提供一个准直的射束环境。同时放射源在辐照器中时,为了不影响测量,要求经过辐照器衰减后的剂量和经过混凝土地面和墙壁的反射后的剂量应低于主光束剂量的0.1%[6,7]。

辐照器的主体材料为铅锑合金(91%Pb,9%Sb),起到限束准直效果;前表面光阑由钨合金(89%W,7%Ni,4%Fe)制成。

为确定辐照器各方向的厚度,根据空气比释动能常数[8]109.1 μGy·m2·GBq-1·h-1和192Ir活度3.7×1011Bq(10 Ci),按照γ射线衰减的规律进行计算。对于窄束单能γ射线在穿过指定材料时符合e指数衰减,方程为:

I=I0e-μd

(1)

式中:I和I0分别表示穿过指定材料前后的射线强度;d为材料厚度;μ为线性衰减系数。

设计的辐照器前壁厚为75 mm,上下左右及后壁厚度为40 mm[9]。根据文献[10],192Ir放射源的能谱最高能量为885 keV;按照最高能量进行衰减计算,利用美国NIST官网质量衰减系数数据库等参数,采用线性内插等方法,最终得到通过辐照器的衰减参数,如表1。

表1 辐照器衰减参数的计算

根据计算结果,确定辐照器的结构,其具体参数如表2。

表2 辐照器具体结构

2.2 辐照器及空间散射计算

参考辐射场中放射源主射束以外的散射辐射对所需测量的辐射份额贡献不应超过总剂量率的0.1%[6,7](辐射源包壳所造成的的散射份额不计算在内)。综合考虑实验室实际大小(6 m×5 m×5 m)、房间墙壁厚度(1 m×2 m)、地板材质、辐照器大小厚度(参见表2)及摆放位置、探测器摆放位置等因素,对辐照器及空间散射进行模拟计算。

采用蒙特卡罗软件[11]模拟计算,参考辐照器实际摆放位置,模型中辐照器距离后墙1.5 m,距离右墙2 m,距离左墙6 m,距离地面1.5 m,射束方向墙面6 m。放射源位置与辐照器的位置均与实际实验、设计相同,并在距离放射源1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m的位置设置与基准电离室体积相同的球型探测器,计算实际场景与无限大场景(空间介质为真空,默认该场景下无散射份额)下球体中的沉积能量。最终计算得出散射份额远远小于0.1%的标准要求,辐照器设计合理,满足量值复现需要,模拟结果如表3。

表3 辐射场散射模拟结果

3 定位装置

3.1 辐射源定位装置

在高剂量率192Ir γ射线参考辐射场的搭建过程中,选用医用的后装治疗机作为辐射源定位装置,放射源通过后装机的驱动送入辐照器中。源在辐照器中要确定最佳位置,见图1,步长选定为2 mm,放射源位于1 026 mm位置时电离电流最大且居于中间位置,认为此处为源的近似最佳位置,然后经过辐照器的准直屏蔽作用,最终形成准直的192Ir γ射线束。具体布置如图2所示,医用后装机的相关技术参数如表4。

图1 放射源最佳位置测量

图2 后装机与辐照器连接示意图

表4 医用后装机技术参数

3.2 探测器定位装置

定位导轨为π型轨道,导轨设计有四轴直线运动,两轴旋转运动,平台主体为标准螺纹阵列,为后期功能的拓展留有空间,在平行光路及垂直光路上分别设计有定位激光器,以保证实验过程中仪器定位的准确,设计有两个完全相同的电离室支架,为后期复现参考空气比释动能率量值及其量值传递留有扩展位。定位平台经过严格的水平校正。定位平台中使用到的电机均为伺服电机,两个电离室支架的设计保证了不同电离室在夹持和旋转的过程中始终同心,且配置有电动的升降支架,满足不同结构的电离室的使用。定位装置如图3所示,设计参数如表5。

图3 探测器定位装置

表5 探测器定位装置相关参数

表5中X方向为与光路平行的方向,Y方向为与光路水平垂直的方向,Z为升降方向,R轴为旋转方向,可360°旋转。导轨的设计可满足基准量值的复现,同时满足仪器校准,仪器角响应测量,辐射野测量等功能。

3.3 辐射野测量

为确定导轨与光路是否完全平行,并且确定辐射场的设计是否满足基准电离室的量值复现需求与量值传递的需求。在距离辐射源1.4 m的位置进行了辐射野的测量,并进一步验证不同位置辐射野的均匀性。因球形电离室的支撑杆会造成扫描垂直方向辐射野,且电离室处于辐射野中不同位置的杆长短不同,杆散射影响不同,造成偏差;故而采用体积与基准球形石墨空腔电离室较为接近的球形商用电离室Standard Imaging A5电离室,其具体参数见表6。实验过程中仪器摆放位置如图4所示。

图4 扫描辐射野仪器摆放示意图

表6 A5电离室具体参数

通过扫描处理,可以看出在1.4 m的位置,测量用电离室几何中心位置与光路轴完全重合,通过换算可知此位置的辐射野半径为:

R=R′+r

(2)

式中:R为实际辐射野半径;R′为测量半径;r为电离室半径。将测量数据按照最大值进行归一处理,见图5。可知辐射野直径均匀性好于95%的尺寸约为98 mm,均匀性好于98%的直径约为92 mm,而基准石墨空腔电离室的有效体积直径为64 mm,满足量值复现需要。

图5 距离放射源1.4 m处辐射野扫描结果

4 能谱测量与模拟

4.1 能谱测量

选用ORTEC公司的HPGe探测器,其灵敏区结构尺寸如表7。

表7 HPGe谱仪结构尺寸

谱仪的输出脉冲和它所吸收的射线能量之间存在线性关系,利用放射性核素衰变放射出的特征射线对HPGe谱仪进行能量刻度,即可得到HPGe谱仪的能量-道址函数。本实验选用241Am、60Co、137Cs、22Na、88Y、109Cd六种核素,能量范围覆盖了22～1 836 keV。最终得到的能量-道址的对应关系如图6所示。

图6 HPGe谱仪的能量-道地址校准

进行线性拟合得到函数:

E=0.183×Channel+0.009

(3)

式中:E为射线能量;Channel为道址。

因医用高剂量率192Ir辐射源活度过高,直接测量能谱的话,会导致HPGe谱仪收到的脉冲信号过多,导致仪器的死时间过长,无法正常工作。在辐照器光阑[12]出射口处增加厚度为5 cm,孔径为1 mm的铅质光阑进行限束并进一步准直,将大部分的光子进行屏蔽;同时,通过改变HPGe谱仪距离辐射源中心的位置,最终确定在距离辐射源2.5 m的位置进行能谱的测量,此种测量环境可保持HPGe谱仪处于较好的工作状态,保证谱形不发生变化的同时计数系统的死时间控制在10%以下。实际测量中仪器摆放位置如图7。能谱测量结果如图8。

图7 能谱测量仪器摆放位置

图8 能谱测量结果

4.2 能谱模拟

根据辐射源结构,利用蒙特卡罗软件对辐射源结构进行了建模[13～15],考虑辐射源包壳对低能光子的影响以及空气散射[16,17],输入能量为“Ir-192_tables”能谱[10]。对国产医用192Ir辐射源的能谱进行了模拟,得出的能谱如图9。

图9 医用192Ir源模拟能谱

通过2个能谱的比较,发现HPGe谱仪的测量谱与蒙特卡罗模拟软件计算的模拟谱契合度良好,没有明显差别。

5 半值层及有效能量测量

半值层是表示光子穿透物质能量的特征参数[18]。高剂量率192Ir辐射源为密封源,密封于厚度为0.15 mm的不锈钢材料中。高能射线通过不锈钢材料衰减后,其低能部分光子衰减份额要高于高能部分光子的衰减份额,因此会导致其平均能量或有效能量变的高于其192Ir裸源的平均能量或有效能量。为进一步表征医用192Ir辐射源的有效能量,故进行了医用192Ir辐射源γ射线半值层(HVL)的测量及其有效能量的评估。

由于192Ir辐射源γ射线并不是单一能量,而是多个独立的能量,相同半值层(HVL)可能对应不同的能谱成分。半值层(HVL)是使射线束在某一点的剂量率减少一半时所需要的某种材料(铝、铜或铅)的厚度。

在半值层测量时,参考ISO 4037-1[19,20]中过滤X射线半值层的测量方法,将铜吸收片置于距离辐射源50 cm的位置处,测量用的电离室置于距离辐射源1 m的位置进行测量。测量时仪器摆放位置如图10,测量结果如图11。

图10 半值层测量示意图

图11 半值层测量数据线性拟合曲线

通过在NIST官网查询铜材料对于不同单能能量的质量衰减系数μ/ρ,通过插值的方法得出所测量半值层对应的有效能量。最终得出所用192Ir辐射源半值层及有效能量如表8所示。

表8 半值层及有效能量

6 结 论

设计搭建了用于高剂量率192Ir近距离放射治疗源参考空气比释动能率绝对测量的参考辐射场。其中,设计了专用的辐照器,定制了多轴定位导轨。并确定了辐照器内源的最佳位置,对辐射场的散射、辐射野、能谱、半值层等相关参数进行了测量或模拟。最终确定,辐照器内源的最佳位置为1 026 mm,参考辐射场的散射份额低于主射束的0.003%,辐射野的直径为98 mm,HPGe探测器测量的能谱与蒙特卡罗模拟谱契合度较高,半值层测量结果为8.244 mm(Cu)。各项参数均满足了192Ir放射源参考空气比释动能率量值复现的要求,为其绝对测量与国际比对打下基础。