在个人剂量当量Hp(d)的刻度及研究中, 制作多面体体模除了符合剂量学要求外, 最关键的问题是组织等效材料的研制。要求材料不但组织等效性要好, 而且材料的韧性及机加工性能也要好。根据ICRU44号报告提供的不同组织等效材料配方, 密度和物理性质等条件。经查阅资料和调研, 发现醋酸乙烯共聚物(EV A)和聚乙烯可以作研制组织等效材料的基础材料, 由于这两种材料的种类很多, 而且物理性能各异, 经大量实验从EV A家族中选择了EV A /40- 50和EV A /5 - 0.3。从聚乙烯家族中选择了高压聚乙烯和低压聚乙烯作为研究组织等效材料的基础。将它们经高温溶化后, 分别按不同比例加入了石腊、氧化钛、氧化镁和碳酸钙等物质充分混匀, 冷却成型后机械加工成5×3× 1cm3方块材料。目的是了解材料的韧性和检查内部是否存在气泡, 从实验的10多种材料中选择出七种, 密度均接近于1g /cm3(见表 1)。并对七种材料进行了组织等效性测定, 这类测定一般有两种方法:一种为质量衰减系数法, 另一种为X射线电子计算机断层扫描法(称CT扫描法)。本研究采用质量衰减系数法, 其数学表达式为:
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(1) |
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表 1 不同材料密度ρ (g /cm3) |
为讨论方便将(1)式改写成(2)式:
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(2) |
其中, No:表示入射到材料表面的X射线或γ光子数。
N:表示穿过材料质量厚度后剩下的X射线或γ光子数。
μ/ρ :质量衰减系数, 单位cm2 /g。
d:表示X射线或γ光子穿过材料的质量厚度, 单位g /cm2。
由公式(2)知道, 当不同能量的X射线或γ光子穿过某种介质时, 若在这种介质中的质量衰减系数μ/ρ与人体组织质量衰减系数μ/ ρ接近或相同时, 通常称这种材料为组织等效材料。
在本研究工作中采用热释光方法测定材料质量衰减系数, 监测元件为LiF(M g.Cu. P)个人剂量计(放射所研制产品)。X射线辐射场和137Cs源均由中国计量科学院辐射剂量处提供, X射线源为准直窄束, 有效能量分别为29.5keV, 60keV, 110keV, 照射距离为5m。用不同能量的X射线照射七种材料, 并用热释光剂量计测量了七种材料的No和N。由公式(2)计算出每种材料在不同能量下的质量衰减系数μ/ρ。图 1表示了七种材料的质量衰减系数曲线μ/ρ。由曲线分析, 七种材料的质量衰减系数曲线与肌肉的质量衰减系数曲线的减弱趋势基本一致, 而且七种材料的密度均接近于1g /cm3, 所以七种材料均可作体模的组织等效材料, 进行不同形状的体模加工。
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图 1 7种组织等效材料与肌肉的质量衰减系数曲线 |
由于ICRU球对辐射的散射作用与人体的躯干接近, 1980年ICRU 33号报告建议用一直径为30cm的组织等效球(称IC RU球)模拟人体对辐射最敏感的躯干部并用此体模评价人体躯干的个人剂量当量Hp(d)。我们知道ICRU球的表面是一个球面, 在实际应用中, 用ICRU球作刻度体模对较大或多个剂量计的刻度很难在球面上找到一个合适的均匀场, 除了ICRU球外, IC RU还推荐使用30× 30× 15cm3的PMM A板模和30× 30× 30cm3的IAEA水模, 作为辐射场的刻度体模, 虽然它们都存在两个30× 30cm2的平面, 可以对多个剂量计进行刻度, 但它们的外型与ICRU球相差较大, 难以直接引用IC RU球的各种刻度因子。为了克服上述体模的不足, 我们采用了PM M A材料(Poly methyl methacryla te), 研制了三种形状不同的刻度体模:直径为30cm的球体模(以下简称为ICRU球)、30× 30× 15cm3板模(以下简称为板模)和正十二面体体模(其外径尺寸及体积都近似ICRU球, 表面有12个正五边形平面, 两平面相交夹角为116.57°; 正十二面体的内径: 13.66cm; 外径: 17.19cm; 棱长: 12.26cm)。下面用实验证明不同体模的优点和不足, 分别将ICRU球、板模、正十二面体和非均匀人体体模(其形状和线度以及内部重要器官均采用组织等效材料位置分布与真人相近, 骨骼采用真人骨骼)放在辐射场同一位置进行照射(采用激光定位), 照射时间相同, 热释光剂量计放在体模表面中心及照射野中心位置处(采用激光定位), 测量不同体模的Hp(0.07), 用ICRU球的Hp(0.07)值归一得出不同体模与ICRU球之间的转换因子由表 2给出。实验结果证明, 正十二面体在不同能量的照射下个人剂量当量Hp(0.07)均与ICRU球接近, 它不但外型与ICRU球接近而且表面还存在多个相等的平面, 从而实现了能刻度多个剂量计的愿望。所以我们说它综合了ICRU球和板模的优点。在X射线和γ辐射场中, 可以用正十二面体直接刻度不同角度的个人剂量当量Hp(d, α)。还可以直接使用ICRU球的各种转换因子。
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表 2 不同体模与ICRU球之间的转换系数 |
在准直单向的辐射场中, 当正十二面体上任一平面垂直于射线束方向(平面中心对准射线束中心)相当于此平面的入射角α1= 0 °, 这时正十二面体上有五个正五边形平面的入射角α2= 63.43°。当正十二面体的任一顶角对准射线束中心时, 这时正十二面体上有三个正五边形平面的入射角β1= 37.38°和两个正五边形平面的入射角β2= 79.19°。当正十二面体的一条棱的中心对准射线束中心时, 这时正十二面体上有二个正五边形平面的入射角γ1= 31.72 °, 和二个五边形平面的入射角γ2= 58.21 °, 还有4个正五边形平面的入射角γ3= 90 °。正十二面体的研制能有效的解决医用X射线辐射场中不同入射角的个人剂量当量Hp(d, α)的刻度问题。目前在国际和国内均认为这种体模是刻度辐射防护量较为理想的刻度体模。
3 刻度系数的建立实验条件: X射线辐射场, γ辐射场均由放射医学研究所提供。
监测元件: LiF(Mg· Cu· P)热释光剂量计(放射所物理室研制产品)。
测量仪器: FJ-377热释光剂量仪。
刻度体模: ① ICRU球; ②正十二面体体模; ③板模; ④非均匀人体体模。
X射线机工作条件:胸透检查(3mA, 70kV, 有效能量约30keV), 受照体模距源1m, X射线输出量的大小由X射线机出线口处的监测剂量计测定给出。
γ辐射场: 241Am源, 能量59.3keV, 受照体模距源1.5m; 137Cs源, 能量662keV, 受照体模距源2m。
3.1 不同入射角平面的个人剂量当量Hp(0.07, α)与照射量R之间的转换系数在医用X射线或γ辐射场中, 利用正十二面体上每一平面的固定入射角, 用热释光剂量计测量0° ~ 90 °的个人剂量当量Hp (0.07, α)与同一位置处无体模时的照射量R。Hp(0.07, α) /R转换系数随入射角的增加而减少, 结果列在表 3中。
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表 3 不同入射角平面的个人剂量当量Hp(0. 07, α)与照射量之间的转换系数Sv /C·kg-1 |
在X射线和γ辐射场中, 利用ICRU球、正十二面体、板模和非均匀性人体模型进行体模反散射研究, 在辐射场中同一位置处用热释光剂量计测量不同体模的个人剂量当量Hp体 (0.07), 然后再测量无体模时该位置处的空气Ka, 由公式3计算, 不同体模反散射因子:
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(3) |
μtr /ρ :质能转换系数:
Q:品质因子(对X、γ射线Q= 1);
(1- g):轫致辐射刻度因子, 能量在300keV以内近似为1.0;
在公式(3)中, 由于(μtr/ρ)体为组织等效材料的质能转换系数, 当能量分别为30keV, 60keV, 800keV时, (μtr/ρ)体 /(μtr/ρ)a分别等于1.052、1.073、1.10, 所以在我们实验的能量范围内, 质能转换系数比(μtr/ρ)体 /(μtr/ρ)a近似为1.0。由公式(3)计算的反散射因子B列在表 4中, 同时在表 4中还引用了MC计算结果和IC RU组织材料的实验结果(PTB:联邦德国物理技术研究所)〔1〕。从结果分析, 能量在30keV时, ICRU球和正十二面体的反散射因子与PTB提供的ICRU组织材料的实验结果和MC计算结果符合较好。能量在60keV时, 实验结果均高于MC计算结果10%。用同样的方法测量并计算出正十二面体不同入射角平面的散射因子Bα, 结果列在表 5中。在正十二面体上不同入射角平面的散射因子随入射角的增加而减小。
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表 4 不同体模的反散射因子B |
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表 5 不同入射角平面的散射因子Bα |
在实验中我们选择了一般胸透检查(工作条件: 3m A, 70kV, 平均能量约为30keV)和241Am源作为辐射源, 测量多面体上不同入射角平面的个人剂量当量Hp(0.07.α)和Hp (10.α)分别以0°时的Hp(0.07)和Hp(10)值归一。在X射线辐射场中, 不同入射角平面的角转换因子R(0.07, α)和R(10, α)列在表 6中, 从表中的结果分析R(0.07, α)和R(10, α)随入射面角度的增加而减少。在γ辐射场中, 用同样方法测量多面体上不同入射角平面的个人剂量当量Hp(10, α)以0°时的Hp (10)值归一, 在图 2中所示的R(10, α)角转换因子, 同时引用了三组结果:
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表 6 X射线辐射场, 不同入射角平面的转换系数 |
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图 2 R(10, α)角转换因子 |
① 三角“▲”符号:放射所实验结果(241Am源, 实验体模:正十二面体体模)。②虚线: Grossw endt的理论结果(PTB)〔2〕。③实线: Ambrosi实验结果(实验条件:管压100kV, 平均能量57keV的X射线, 实验体模: PM M A板模) (PTB)〔3〕。
从图中的结果分析, 我们的实验结果与Grossw endt的理论结果符合较好, 在31.72°和79.19°时R(10, α)值与理论结果重合。图 2中的三条R(10, α)曲线变化趋势都随入射角平面的角度增加而减少, 从而提醒职业人员在实际工作中除了距离和其它屏蔽防护以外, 增加人体与射线束之间的平面夹角和减小受照平面也是一个较为有效的防护措施。这一研究完成了组织等效材料的研制和三种体模的制作, 并在X、γ辐射场中利用不同体模建立了五套刻度系数, 为我国的辐射防护工作和个人剂量监测提供了更准确的科学依据。
| [1] |
Grosswendt B., Kramer H. M. Theoretical aspects of the experimental determinations of phantom backscatter factors using extrapolation chambers. (To be published).
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| [2] |
Grosswendt B. The angular dependence and irradiation geometry factor for the dose equivalent for photons in slab phantoms of tissue-equivalent material and PMMA[J]. Radiat. Prot Dosim, 1991, 35(4): 221-235. |
| [3] |
Ambrosi P., Bohm J., Dietze G., Grosswendt B. Conversion coefficients for the dose equivalent for photons in slab phantoms[J]. Radiat. Prot. Dosim, 1991, 37(2): 133-134. |