胶片剂量计是一种重要的二维剂量仪。它的空间分辨率高, 可以用来快速获取辐射场的二维剂量分布, 因此, 对于肿瘤放射物理学中的常规剂量测量和放射治疗计划验证, 尤其是调强适形放射治疗(intensity modu lated radiation therapy, IMRT)计划, 立体定向放射治疗(stereotactic radio therapy, SRT)计划的剂量验证具有重要的实用价值。笔者将对辐射剂量胶片的原理、物理化学性质作一简要综述, 然后介绍几种常用的胶片。

1 胶片剂量计的原理和性质

1895年德国物理学家伦琴发现X射线以来, X射线胶片照相法由于其具有检测直观、灵敏度和分辨率高的特点, 被广泛应用于医学领域^[1]。在放射诊疗领域中, X射线胶片作为剂量计逐渐成为辐射剂量验证的必要方法, 用于测量光子束、电子束和中子束以及重离子束等的剂量分布。

1.1 放射摄片胶片

早期用于测量辐射的剂量曲线分布的胶片是放射摄片胶片(radio graphic film, 后面简称RG胶片), 由透明片基、覆盖在片基双面或单面的含卤化银晶体颗粒(主要是溴化银)的乳胶以及保护乳胶的涂层组成, 如KodakX-OMAT V和Kodak XTL胶片, 晶体颗粒的尺寸和均匀性对成像影响很大^[1]。当胶片受可见光或电离辐射照射时, 卤化银(AgH)晶体颗粒中的银离子(Ag⁺)还原为银原子(Ag), 数个银原子就形成所谓的"潜影"。洗片时, 显影液促使晶体颗粒的Ag+还原为Ag, 这种转变在含有"潜影"的晶体颗粒中进行得更迅速, 因此选择合适的洗片时间就形成高黑度差别的灰度影像。RG胶片是最常用的相对剂量测量工具, 因为它易于获取、高空间分辨率, 临床广泛应用。但这种胶片的能量吸收和能量转移性质与冠状动脉等效材料的生物属性不一致, 除对能量的依赖性响应外, 它的量程有限, 限制了它的使用范围。并且普通光线照射也会改变它的性质, 在操作时还必须进行定影、显影等化学处理, 极大地增加了它的不稳定性^[2]。

1.2 辐射自显色胶片

辐射自显色胶片(Radiochromic film, 后面简称RC胶片)的辐射自显色作用, 是指某种物质吸收辐射能量后不经化学、光学、扩放等处理自动变色。Niepce^[3]在1826年发现并证明了辐射自显色过程, 他发现均匀涂在沥青表面的不饱和碳氢聚合体混合物经辐射照射后, 会留下射线散射的图案。第一个应用于商业地直接成像的物质是含有重铬酸钾的凝胶, 它是基于放射化学逆向反应, 图像未受照射区域的褐色减弱。随后科学家们合成了很多用于辐射成像的自显色材料, 如含有机自由基成像介质联合无色染料经照射后发生光聚作用显示颜色, 典型的过程是配对自由基团形成共价碳链材料, 最终形成共价化合成长链材料; 含辐射微小胶囊胶片具有光散射特性, 辐射照射后胶囊里面的染料和色素扩散开来; 含有同质异构有机物材料吸收辐射能量后转化或分解形成烯醇、酮、假蓝靛化合物(蓝色染料)和其他分子后重新排列。无色透明的辐射自显色胶片形成永久的有色图像被广泛应用于高剂量(10⁴~10⁶Gy)辐射剂量计已有40多年, 但是由于这种辐射自显色胶片的敏感度不高, 因此最初并没有应用于临床医学和放射医学, 直到新型GafChromic胶片(后面简称GC胶片)DM-1260(又称HD-810)和MD-55-1(随后生产商又开发了性能更优越的MD-55-2)的出现。GC胶片剂量计是专门研发用来测量电离辐射的, 它的感光成分是一种亚纳米级大小的不饱和烃单体的微晶粒, 吸收一定能量的电离辐射, 不经过任何热学、光学或化学的增强或处理, 不饱和烃单体发生聚合作用, 生成一种染料的聚合体, 聚合体数量增加表现为胶片颜色的加深, 并与辐射剂量构成一定的比例关系。对能量的依赖性小和接近组织等效, 用于吸收剂量的测量准确度较高; 对可见光线不敏感, 不需要暗室; 实时显影, 曝光后快速定影及饱和, 曝光后不用处理, 数据处理和操作简单, 被应用于医学辐射测量的许多领域。

2 几种常用胶片剂量计

目前我国用于医学辐射测量的胶片剂量计主要有四类胶片:KodakX-OMATV (XV), Kodak EDR2, Gafchromic胶片MD-55-2, Gafchromic胶片EBT, 其中前两种胶片是RG胶片, 后两种是RC胶片。EBT是最新开发出来专门用于辐射剂量测量的胶片, 性能优越, 有取代其他三种胶片的趋势。胶片之间的性能差异主要是由于感光层材料元素组成不同, 其中具体参数和生产工艺配方是生产商严格保密的资料。

2.1 XV胶片

Kodak XV胶片是最常用的相对剂量测量工具, 因为它价格较低、易于获取、空间分辨率高, 所以临床应用广泛。XV胶片在低剂量时具有很好的信噪比, 可用黑度计数字化仪读取, 能稳定地记录吸光度, 并可通过剂量校准曲线转换成绝对剂量。尽管XV胶片不是水等效的, 他的准确性、精确性与测量和冲洗技术的质量紧密相关, 但通过微处理器控制冲洗条件达到1%的重复性还是可能的。除了能量依赖性响应外, 它的主要局限性是量程有限, 通常在0.01~0.8Gy, 这限制了IMRT验证时的曝光剂量; 若不按比例减少剂量, 胶片会达到饱和, 甚至过度曝光^[4]。另外, XV胶片的能量响应明显、重复性差, 因而准确性有限, 故不能作为绝对剂量仪使用, 一般只用于确定二维剂量分布中高剂量梯度区域的位置。

2.2 EDR2胶片

Kodak EDR2(Extended Dose Range2)是专门开发应用于辐射剂量测量的胶片, 属于慢感光的微粒胶片, 在相对剂量测量方面应用广泛, 如辐射野的形状和均一性, 仪器设备的性能指标等。其Ester片基厚0.18 mm, 双面覆有感光乳胶, 其中含有非常微细的立方微晶体颗粒, 大小和形状都非常均匀。这些物理特性使EDR2胶片具有更高的分辨率和更大的量程, 其饱和剂量为700cGy, 因此EDR2胶片更适合于治疗计划剂量的验证, 特别是在动态多叶光栅(Dynamic MultiLeaf Collimator, DMLC)实施的IMRT剂量验证中^[8]。

2.3 MD-55-2胶片

理想的二维剂量仪应是线性的和水等效的, 应有较高的空间分辨率和较低的能量响应, RC胶片(如GafChromicTM胶片)就符合以上要求, 如MD-55-2胶片^{[5, 6]}。辐射自显色胶片与传统放射摄片胶片相比, 其优势在于不含高原子序数的Ag、Br, 在各个能量级的响应近似等效于人体组织和水; 同时还具有无需暗室操作, 无需显影、定影, 对可见光不敏感, 可在室内光线下操作, 可浸人水中进行测量等优点。此类胶片的量程较宽, 如MD-55-2胶片的量程为3~100 Gy, 使IMRT验证的曝光剂量选择余地较大。但由于准确的测量技术尚未被普遍接受, 且此类胶片需要≥ 20 Gy的剂量, 空间不均一性达15%, 而且所需费用较高, 因而限制了其使用。

2.4 EBT胶片

美国生产商ISP(International Specialty Prod ucts)专门研发了一种新型剂量学胶片, GAFCHROMIC@EBT胶片^[7], 剂量范围1cGy~800 cGy, 适合医院物理师和剂量师在放射治疗计划验证中使用, 尤其是IMRT剂量验证^[8]。EBT胶片感光成分与之前的RC胶片(MD-55, HS, HD-810, XR R等)有所不同, 它的原子构成为C 42.3%, H 39.7%, O16.2%, N1.1%, Li0.3%, C 10.3%;有效原子序数Zeff为6.98, 比MD-55系列胶片(Zeff6.5)更接近于水(Zeff7.3)。EBT胶片感光成分掺入少量中低原子序数的C1, 与低于5OkeV光子相互作用的光电效应明显加强, 所以EBT胶片比前系列GAF-CHROMIC胶片的能量独立性显著增强, Butson^[9]等研究证实, EBT胶片对keV和MeVX射线的响应差别小于10%, 对初始射线与散射线的剂量均有良好的测量响应, 能量差别造成的误差可以忽略。EBT胶片敏感度是HS胶片的10倍, MD- 55的5到10倍。Ellen^[10]等使用EBT胶片测量赛博刀的百分深度剂量分布(PDD), 结果发现辐射野半径大于10mm时, 测量结果与半导体、电离室的结果一致, 半径小于7.5mm和5mm时EBT测量结果比电离室测量结果更加陡峭。EBT胶片与其他胶片相比, 其OD值在更大的剂量范围内是线性的。

另外EBT胶片可在室内光线下使用, 避光常温下储存保质期长达两年。胶片可在水中使用, 1h以内不影响胶片的测量结果。并且温度对胶片影响很小。价格与常规片的总费用接近, 使用方便。

3 结语

随着新材料、新技术的发展, 剂量胶片的性能还在不断改进, 随着其剂量灵敏度、能量独立性进一步提高, 以及胶片数字化仪器的新发展, 其在医学领域的应用将更加普及。