平行板电离室两种校准方法研究

引用本文

薛娴, 罗素明, 何志坚, 吴昊, 冯仲苏. 平行板电离室两种校准方法研究[J]. 中国辐射卫生, 2016, 25(3): 364-368. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2016.03.038.

XUE Xian, LUO Su-ming, HE Zhi-jian, WU Hao, FENG Zhong-su. Two Methods for Calibration on Plane Parallel Ionization Chambers[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2016, 25(3): 364-368. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2016.03.038.

通讯作者

罗素明, Email:sumingluo@163.com

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收稿日期：2016-01-04
修回日期：2016-03-12

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平行板电离室两种校准方法研究

薛娴 ¹, 罗素明 ¹, 何志坚 ¹, 吴昊 ², 冯仲苏 ¹

1. 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所, 北京 100088;
2. 北京肿瘤医院

收稿日期：2016-01-04；修回日期：2016-03-12

作者简介：薛娴, 女, 从事辐射剂量测量工作.

通讯作者：罗素明, Email:sumingluo@163.com.

摘要：目的研究用γ光子线束(⁶⁰Co模体法)和高能电子线束(电子束法)校准平行板电离室吸收剂量因子方法。方法电子束法:0.65cc指形电离室放在水中有效点深度2.88 cm (考虑电离室半径), 平行板电离室(NACP02)放在水中有效点深度2.70 cm, 都距监督指形电离室3 cm处, 电子线束能量18 MeV, 照射野15 cm×15 cm, SSD=100 cm, 照射:300MU, 测量; 不加监督电离室, 并按上述条件照射并测量; 根据国际原子能机构(IAEA)381号报告, 分别计算平行板电离室空气吸收剂量校准因子。⁶⁰Co模体法:水模体30 cm×30 cm×30 cm, 0.65cc指形电离室放在水中深度5cm, 照射野10 cm×10 cm, SSD=80 cm, 照射时间60s;水模体25 cm×25 cm×25 cm, 平行板电离室放在水中有效点深度5cm, 其他条件相同, 计算平行板电离室空气吸收剂量校准因子。最后将两种方法校准结果进行比较。结果电子束方法校准平行板电离室结果为52.30 Gy/C·kg ^-1(不加监督电离室的值为52.27Gy/C·kg ^-1)。⁶⁰Co模体法校准平行板电离室结果为52.33 Gy/C·kg ^-1。结论电子束法与⁶⁰Co模体法校准平行板电离室空气吸收剂量因子偏差仅为0.05%。因此, 测量电子线束输出剂量, 对平行板电离室的校准既可选择高能电子线束也可选择⁶⁰ Co光子γ线束。

关键词：电子线束 ⁶⁰Co光子γ线束平行板电离室指形电离室空气吸收剂量校准因子

Two Methods for Calibration on Plane Parallel Ionization Chambers

XUE Xian ¹, LUO Su-ming ¹, HE Zhi-jian ¹, WU Hao ², FENG Zhong-su ¹

1. National Institute for Radiological Protection, China CDC, Beijing 100088 China;
2. Beijing Cancer Hospital

Corresponding author: LUO Su-ming, Email:sumingluo@163.com.

Abstract: Objective Using two methods (The electron beam method and ⁶⁰ Co in-phantom method) for calibration plane parallel ionization chambers. Methods The electron beam method:The main recommendation in TRS-381 is to perform the determination of N_{D, air}^pp using the electron beam method where the plane parallel ionization chamber(NACP02, Depth of the effective point of measurement 2.70 cm) to be calibrated is compared with a reference thimble chamber 0.65 cm³ (Depth of the effective point of measurement 2.88 cm). Electron beam energy is 18 MeV, The SSD should be 100 cm and the field size at the phantom surface 15 cm×15 cm, Dose rate of the accelerator 300 monitor units/min; or the same way but not use the chamber which is used to monitor. ⁶⁰ Co in-phantom method:The SSD should be 80cm and the field size at the phantom surface is10 cm×10 cm, measurement time 60 s, with a reference thimble chamber 0.65 cm³. The other condition is same with the electron beam method. Then to measure and compare the results of two methods. Results Absorbed dose to air factor using the electron beam method is 52.30Gy/C·kg ^-1 (with out monitor chamber 52.27 Gy/C·kg ^-1), where there are 0.05% deviation to ⁶⁰ Co in-phantom method which is 52.33 Gy/C·kg ^-1. Conclusion ⁶⁰ Co in-phantom method which can give the same results of calibration plane parallel ionization chambers may replace the electron beam method for absorbed dose to air factor.

Key words: Electron Beam ⁶⁰Co γ Beam Plane Parallel Ionization Chambers A Reference Thimble Chamber 0.65 cm³ Absorbed Dose to Air Factor

目前，对高能电子线束输出剂量测量，在我国放疗领域是个难点，其原因是对平行板电离室的校准。1987年IAEA出版了放疗剂量国际实用准则TRS-277号报告《光子和电子束吸收剂量测定》。报告推荐使用圆柱形空腔电离室测量中能X射线、高能X射线和10 MeV以上电子束吸收剂量。对5~10 MeV电子束建议使用平行板电离室或者圆柱形空腔电离室; 对5 MeV以下电子束使用平行板电离室。1992年IAEA对此报告进行复审修正，并于1997年出版了其修订本，并编写出版了TRS-381报告即《高能电子和光子束测量中平行板电离室的使用》，这个报告推荐使用平行板电离室用于电子束，特别是10 MeV以下电子束吸收剂量的绝对测量和电子束、光子束的相对测量^[1]。

平行板电离室用于电子束剂量测量时，有效测量点位于其空腔前表面的几何中心处，在实际运用中比较方便，且对于在浅深度建成区的非平衡条件下测量非常有利。

TRS-381报告推荐四种校准方法:电子束法、⁶⁰Co模体法、⁶⁰Co空气法和水吸收剂量标准直接校准法。前三种方法目的在于确定平行板电离室空气吸收剂量因子N_D，air^pp。由于我国尚未建立水吸收剂量标准，第四种方法在国内无法实现。所以本文重点论述平行板电离室空气吸收剂量的两种校准方法，其中电子束法是TRS-381报告优先推荐。

由于实验条件的制约，以下我们就重点介绍平行板电离室的两种校准方法:电子束法和⁶⁰Co模体法，并将此两种方法所得校准值进行简单比较。

1 材料与方法 1.1 实验仪器

瓦里安加速器，型号: TrueBeam(美国) : ⁶⁰Co远距离治疗机，型号: Fcc-7000A (国内); 0.65 cm³指形电离室，型号: FC65-G; 剂量仪: Dose1 (美国IBA公司); 0.6 cm³指形电离室，型号: TW 30013;剂量仪: Unidos(德国PTW公司); 平行板电离室，型号: NACP02(美国); 水模体(30 cm × 30 cm × 30 cm，25 cm × 25 cm × 25 cm)。

1.2 高能电子线束校准平行板电离室^[2] (加监督电离室) 1.2.1 指形电离室(参考)

测量0.65 cc电离室放置水中有效深度2.88 cm (已考虑电离室半径0.5 r) ^[3]，指形电离室(监督)放置水中相同深度，距参考电离室3 cm处，见图 1。高能电子线束能量18 MeV，水模体30 cm × 30 cm × 30 cm，照射野15 cm × 15 cm ^[4]，SSD = 100 cm，监督单位: 300 MU，剂量仪在高压300 V和半压100 V，分别取5读数求平均值。根据IAEA381报告，计算参考电离室空气吸收剂量因子公式^{[3, 5]}:

(1)

图 1 参考电离室与监督电离室放置位置

式中: N_x-参考电离室⁶⁰Co照射量刻度因子0.997; -在空气中形成的每对离子所消耗的平均能量33.97 J/C; k_att校准电离室时，电离室壁及平衡帽对校准辐射的吸收和散射修正; k_m电离室壁及平衡帽材料对校准辐射空气等效不充分引起的修正; k_cel参考电离室中心电板影响1.006; g-X辐射产生的次级电子消耗的轫致辐射能量占其初始能量总和份额0.003。

计算参考电离室与监督电离室读数比(M^ref) ^[5]:

(2)

式中: M_ref¹-参考电离室与监督电离室在高压读数比; M_ref²-参考电离室与监督电离室半压读数比。M_ref¹-参考电离室高压平均读数; M_ref²-参考电离室半压平均读数; M₁^em监督电离室高压平均读数; M₂^em-监督电离室半压平均读数。

计算参考电离室复合修正公式^{[3, 6]}:

(3)

式中: α₀，α₁，α₂参考电离室在高压和半压读数之比常数。

计算参考电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数:

(4)

1.2.2 平行板电离室测量

平行板电离室放置在有效深度2.70 cm处(已考虑平行板电离室有效测量深度0.06 cm)，指形电离室(监督)放置水中相同深度，距平行板电离室3 cm处，见图 2。高能电子线束能量18 MeV，水模体30 cm × 30 cm × 30 cm，照射野15 cm × 15 cm，SSD = 100 cm，监督单位: 300 MU，剂量仪在高压300 V和半压100 V，分别取5个读数求平均值。

图 2 平行板电离室与监督电离室放置位置

计算平行板电离室与监督电离室读数比(M^PP) ^[5]:

(5)

式中: M₁^PP-平行板电离室与监督电离室高压读数比; M₂^PP-平行板电离室与监督电离室半压读数比; M₁^PP-平行板电离室高压平均读数; M₂^PP-平行板电离室半压平均读数。

计算平行板电离室复合修正公式^[3]:

(6)

计算平行板电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数:

(7)

根据IAEA381报告，计算平行板电离室空气吸收剂量校正因子^[7]:

(8)

式中: N_{D, air}^ref-参考电离室空气吸收剂量因子; M^ref -参考电离室与监督电离室读数之比(参考电离室); M^PP-平行板电离室与监督电离室读数之比(平行板电离室); P_wall^ref-参考电离室壁物质非模型物质等效修正因子; P_wall^PP平行板电离室壁物质非模型物质等效修正因子; P_cav^ref参考电离室内散射扰动修正因子，取值为(1-0.02155re^-0.1224E_Z)，r为参考电离内半径，E_Z为电子线束平均能量; P_cav^PP-平行板电离室内散射扰动修正因子; P_cel^ref-参考电离室中心电极影响修正因子。

计算参考电离室内散射扰动修正^{[3, 5]}:

(9)

已知电子线束能量18 MeV，电离室剂量曲线: R_S0^D= 7.565 cm，电子射程: R_P = 9.522 cm有效点深度: Z= 2.7 cm + (0.5 × 3.55 mm) = 2.88 cm计算电子线束表面能量: E₀ (MeV) = 0.656 + 2.059R₅₀^D + 0.22 (R₅₀^D)²，Z/R_P = 2.88/9.522 = 0.302，查381^[4]，E_Z/E₀ = 0.636。计算电子线束平均能量: E_Z = E₀ (MeV) ×

1.3 高能电子线束校准平行板电离室(不加监督电离室) 1.3.1 指形电离室(参考)测量

0.65 cc电离室放置水中有效深度2.88 cm(已考虑电离室半径0.5 r)，不加监督电离室。高能电子线束能量18 MeV，水模体30 cm × 30 cm × 30 cm，照射野15 cm × 15 cm，SSD = 100 cm，监督单位: 300 MU，剂量仪在高压300 V和半压100 V，分别取5读数求平均值。计算参考电离室空气吸收剂量因子公式(1)相同，计算参考电离室复合修正: ，计算参考电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数: M^ref = M_ref¹ ×P_S × K_{T, P}。

1.3.2 平行板电离室测量

平行板电离室放置在有效深度2.70 cm处(已考虑平行板电离室有效测量深度0.06 cm)，不加监督电离室。高能电子线束能量18 MeV，水模体30 cm × 30 cm × 30 cm，照射野15 cm × 15 cm，SSD = 100 cm，监督单位: 300 MU，剂量仪在高压300 V和半压100 V，分别取5个读数求平均值。计算平行板电离室复合修正: ，计算平行板电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数: M^PP = M^PP × P_S⁰ × K_{T, P}，计算平行板电离室空气吸收剂量校正因子公式(8)相同。

1.4 ⁶⁰Co γ线束校准平行板电离室^[5] 1.4.1 指形电离室(参考)测量

0.65 cm³指形电离室放置在有效深度5.21 cm处(已考虑电离室半径0.6 r) ^[3]，⁶⁰Co治疗机γ射线束，30 cm × 30 cm × 30 cm水模体，照射野10 cm × 10 cm，SSD = 80 cm，剂量仪在高压300 V下取5个读数求平均值。计算参考电离室空气吸收剂量因子公式与高能电子线束校准平行板电离室方法中公式(1)相同。

1.4.2 平行板电离室测量

平行板电离室放置在有效深度5.0 cm处(已考虑平行板电离室有效测量深度0.06 cm)，见图 3。⁶⁰Co治疗机γ射线束，水模体25 cm × 25 cm × 25 cm，照射野10 cm × 10 cm，SSD = 80 cm，剂量仪在高压300 V下取5个读数求平均值。根据IAEA381报告，计算平行板电离室空气吸收剂量校准因子:

(10)

图 3 ⁶⁰Co γ线束平行板电离室放置位置a

式中: N_{D, air}^ref-参考电离室空气吸收剂量因子; M^ref -参考电离室读数平均值; M^PP-平行板电离室读数平均值; P_wall^ref-参考电离室壁物质非模型物质等效修正因子; P_wall^PP-平行板电离室壁物质非模型物质等效修正因子; P_cel^ref-参考电离室中心电极影响修正因子。

2 结果 2.1 高能电子线束校准平行板电离室(加监督电离室)方法

计算参考电离室空气吸收剂量因子N_{D, air}^ref = 0.997 × 33.97 × 0.987 × 1.006 = 33.63 Gy/G·kg^-1，

其中计算参考电离室与监督电离室读数比(M^ref) :高压: 300V，269.28 × 10^-4 C·kg^-1/Gy; 半压: 100V，M_ref² = = 264.07 × 10^-4C·kg^-1/Gy; 计算参考电离室复合修正: P_S = 1.198-0.875 × 计算参考电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数: M^ref = 271.90 × 10^-4C·kg^-1/Gy。

计算平行板电离室与监督电离室读数比(M^PP) :高压: 300V，=170.32 ×10^-4C· kg^-1/Gy半压: 100V，=169.06×10^-4C·kg^-1/Gy; 计算平行板电离室复合修正: P_S =1.198-0.875 × + 0.677 × =1.004，计算平行板电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数M^PP = 171.00 × 10^-4 C·kg^-1/Gy。计算参考电离室内散射扰动修正因子:电子线束能量18 MeV，电离室剂量曲线R₅₀^D = 7.565 cm，电子射程: RP =9.522 cm，有效点深度: Z = 2.7 cm + (0.5 × 3.55 mm) = 2.88 cm，计算电子线束表面能量: E₀ (MeV) =17.49 MeV，，查381，，计算电子线束平均能量: E_Z = 17.5 MeV × 0.636 = 11.13 MeV，计算参考电离室内散射扰动修正: P_cav^ref = 1-0.2155 ×3.55 × e^{-0.1224 ×11.13} =0.980，平行板电离室空气吸收剂量校正因子N_{D, air}^PP = 33.63 Gy/C·kg^-1 ×

2.2 由高能电子线束校准平行板电离室不加监督电离室方法计算参考电离室空气吸收剂量因子

为33.63 Gy/C· kg^-1计算参考电离室复合修正，P_S⁰ = 1.198-0.875 × + 0.677 × = 1.015计算参考电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数: M^ref = 914.03 × 10^-4 C·kg^-1。

计算平行板电离室复合修正: P_S⁰ = 1.198-0.875 1.009，计算平行板电离室经温度、气压和电离室复合修正后读数: M^PP = 575.16 × 10^-4C·kg^-1，平行板电离室空气吸收剂量校准因子N_{D, air}^PP = 33.63 Gy/C·kg^-1 Gy/C·kg^-1。

2.3 由⁶⁰Co γ线束校准平行板电离室方法

参考电离室空气吸收剂量因子为，平行板电离室空气吸收剂量校准因子为33.63 Gy/C·kg^-1，平行板电离室空气吸收剂亘校准因子为N_{D, air}^PP = 33.63 Gy/C·kg^-1 ×

3 讨论

随着我国放疗技术的发展，对医用加速器的质控越来越重视，很多单位用平行板电离室进行电子束测量，所以校准平行板电离室尤为重要。

由于我国尚未建立水吸收剂量标准，所以本文对平行板电离室的校准主要参照应用TRS-381报告，并参考TRS-277报告中的一些相关内容，来确定平行板电离室的空气吸收剂量校准因子，从而完成电子线束的水中吸收剂量的测量。而TRS-398报告^[8]及AAPM TG-51^[9]报告主要是确定平行板电离室的水吸收剂量校准因子，从而完成高能电子束的水吸收剂量的测量; 在TRS-398报告中的对因子K_Q₁，Q₀的刻度是用来计算电子束水吸收剂量的一个转换因子。在实际工作中，很多人将几个报告的概念混淆，将TRS- 381报告确定的平行板电离室空气吸收剂量校准，与TRS-398报告的平行板电离室的水吸收剂量校准方法相混淆。

在对平行板电离室空气吸收剂量校准时，电子线束校准平行板电离室用两种方法，一种方法是参考电离室加监督电离室，平行板电离室加监督电离室校准; 另一种方法是参考电离室和平行板电离室，不加监督电离室校准，两种方法校准平行板电离室空气吸收剂量因子的相对偏差仅为0.07%。在校准过程中，要将平行板电离室水平放置在其特定支架上(本实验所用支架为德国PTW生产的有机玻璃支架，误差仅为0.1%)，参考电离室及监督电离室也要放在特定的有机玻璃支架上; 平行板电离室、参考电离室及监督电离室的有效点要放置在水下同一参考深度处; 校准时所需电子束为高能量(15~25 MeV)，监督电离室与平行板电离室和参考电离室的距离为3 cm~4 cm^[5]。

⁶⁰Co γ线束校准平行板电离室时，用参考电离室和平行板电离室校准，与电子束法不同处为校准时所用的放射源、校准条件及计算公式不同。该方法与高能电子线束校准平行板电离室空气吸收剂量因子的相对偏差分别为0.07% (加监督电离室)，0% (不加监督电离室)。运用两种方法的具体差异，见表 1。

表 1 电子束法和⁶⁰Co模体法校准平行板电离室空气吸收剂量差异

在校准平行板电离室空气吸收剂量时，即可选择高能电子线束法校准也可选择60 Co法校准，并适用于任何平行板电离室的校准(仅为校准参考因子的不同)。两种校准方法的校准结果偏差很小，仅为0.05%。⁶⁰Co模体法完全可以代替电子束法。

在高能电子线束法中381报告推荐使用监督电离室，由实验结果分析，不加监督电离室时校准平行板电离室与加监督电离室时校准平行板电离室校准结果偏差很小(偏差为0.05%)，所以在电子束法校准平行板电离室时，可以考虑不加监督电离室。

目前，对平行板电离室的刻度仍为难点，国家尚未建立水吸收剂量标准。我们作为国家二级标准剂量学实验室，使用了TRS-381号建立了平行板电离室空气吸收剂量校准方法，溯源到国际标准水平，适用于任何型号的平行板电离室的校准，扩大了电离室的校准范围，解决了电子束尤其是低能量电子束的参考点吸收剂量的测量问题。

参考文献

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