医用质子加速器输出剂量的测量

文章编号：１００５—３３８７（２００５）０６—００２５—２７　医用质子加速器输出剂量的测量　胡家成杨小元杨元第　（中国计量科学研究院，北京１０００１３）　

２００５年第６期　

摘要：本文较详细叙述了国际原子能机构的（ＩＡＥＡ）第３９８号报告中质子外照射辐射治疗源吸收剂量的测量并介绍国　

外质子治疗中心的临床和设备的有关规范指标。　

关键词：质子治疗装置；电离室；吸收剂量　中图分类号：Ｒ１４４．１　文献标识码：Ａ　

０引言　１９４６年Ｗｉｌｓｏｎ首先提出利用质子治疗肿瘤的　设想…。１９５４年瑞典的Ｕｐｐｓａｌａ大学安装同步回旋　加速器，开始了质子治疗的先例Ｉ２］。　早期质子治疗所应用的质子治疗装置都是用于　核物理实验或生产同位素的加速器，经改装后，用于　质子治疗。１９９２年由美国Ｌｏｍａ　Ｌｉｎｄａ大学医学中　心与费米实验室合作，研制成功世界首台医疗专用　质子零梯度同步回旋加速器　］，并投入使用。据不　完全统计，目前国际上总共拥有质子治疗中心约有　２０多个，累计治疗病人约４．６万人。　因此，利用质子治疗及其吸收剂量的测量，对我　国辐射治疗剂量学领域内的物理技术人员来讲是一　新课题。为此我们调研了国际原子能机构的ＩＡＥＡ　的３９８号报告　《外照射辐射治疗源吸收剂量的测　定》（以下简称”报告”）中有关质子吸收剂量测量等　章节，介绍给感兴趣的医院物理师及计量检定的同　仁，仅供参考　

１　质子治疗装置的一般要求　质子治疗装置通常由质子加速器、束流输运、束　流配送和剂量监测系统等四部分组成。　医用质子加速器实际是利用人工方法使质子在　加速器的加速管中加速到所需要的能量，产生用于　辐射治疗束流的装置。　开展辐射治疗的质子加速器有如下类型：同步　加速器、回旋加速器及直线加速器等。通常要求加　速器必须满足以下条件：加速后的质子最大能量不　能低于２５０ＭｅＶ，质子能量在７０ＭｅＶ一２５０ＭｅＶ范围　内连续可调；入射至患者病灶的质子束流强度为ｎＡ　数量级；在ｌＯｃｍ×ｌＯｃｍ×ｌＯｃｍ靶体积内能输出的　剂量率为几Ｇｙ／ｍｉｎ。　

束流输运系统是将加速器所产生质子首先输入　主束线，由偏转磁铁控制束流转入不同的质子治疗　室（固定的水平束、倾斜束或转动束）或用于剂量标　定及生物实验的质子束实验室。　在束流配送系统中，利用能量调节和能量调制　扩展质子的Ｂｒａｇｇ峰，使其入射束的纵向覆盖肿瘤　区。加速器产生的质子束直径约为１．０　ｃｍ，通过散　射体、偏转磁铁和准直器在与入射方向垂直的横向　把质子束扩展到肿瘤横向截面范围。　像其它类型的辐射治疗的加速器一样，剂量监　测系统是在进行辐射治疗时，在线监测实际授予患　者肿瘤部位的辐射剂量，它也是质子治疗系统给予　患者肿瘤处吸收剂量大小的直观依据。　国际上一些质子治疗中心为了规范质子治疗，都　根据自己治疗中心治疗装置的具体情况，制定了治疗　与临床指标规范。表１与表２列出美国东北部质子治　疗中　５，（ＮＰＴＣ）的规范　，仅供我们今后工作参考。　

表１美国东北质子治疗中心（ＮＰＴＣ）的临床规范　序号　参数　规范要求　１　体内射程　３．５—３２ｇ／ｃｍ　２　射程调制　步长＜０．５　ｇ／ｃｍ　３　射程调节　步长＜０．１ｇ／ｃｍ　不小于２Ｇｙ／ｍｉｎ（照射野　４　平均剂量率　２５ｃｍ×２５ｃｍ，深度３２　ｇ／ｃｍ　）　５　束流时间结构　适合束流扫描　固定束大于４０ｃｍ×４０ｃｍ，　６　照射野尺寸　转动束大于４０ｃｍ×３０ｅｍ　

７　剂量均匀性　±２．５％　８　等效源轴距　约２．５ｍ　９　Ｂｒａｇｇ峰后沿宽度　＜０．１　ｇ／ｃｍ　１０　辐射野半影宽度　＜２　ｍｍ　

女：发散源到转动支架转轴的距离和到体表面的距离分别　为等效源轴距和源皮距。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 表２美国东北质子治疗中心（ＮＰＴＣ）的装置规范　序号　参数　规范要求　１　从预备状态启动所需时间　＜３０分钟　２　冷启动所需时间　＜２小时　３　返回预备状态所需时间　＜１０分钟　４　人士设置某一治疗室参数所需时间　＜分钟　５　自动设置某一治疗室参数所需时间　＜０．５分钟　６　装置可运行率　＞９５％　每日不大于　７　剂量重复性　４－１．５％，每周±３ｏＡ　

８　转换治疗室所需时间　＜１分钟　９　调节能量所需时间　＜２秒钟　１０　人员受照水平　ＡＬＡＲＡ　：ＡＬＡＲＡ表示可合理达到的尽量低的原则，屏蔽设计　上，应使工作人员和访问者只受到尽可能低的辐射剂　量。对病人，在保证病灶接受治疗剂量照射的同时，射　野范围之外的正常组织承受剂量应尽可能低于合理限　值之内。　

２吸收剂量的测量装置　２．１探测器　国际上，通常利用量热法（水量热计）、法拉第　筒或电离法测量质子在水中的吸收剂量。　由于电离室具有测量精度高、性能稳定、重复性　好和操作简单等优点，特别是经有关法定计量部门　检定过的电离室型剂量仪，在放疗现场测量马上就　可以得出测量结果，这样有利于加速器的现场安装、　调试与测量，所以我国明确规定要用电离室型剂量　仪作为放射治疗的现场测量仪器　“报告”推荐使用平板型或圆柱型电离室测量　质子束的吸收剂量，同时要求所使用的平板电离室　空腔直径或圆柱型电离室的空腔长度应小于参考射　野的一半，圆柱型电离室的外径小于ＳＯＢＰ宽度的　半。　对于剩余（残余）深度Ｒｒｅｓ＞１０．５ｇ／ｃｍ　，建议使　用圆柱型电离室作为质子束的参考剂量的测量，电　离室参考点为其几何中心，测量位置为模体的参考　深度。对于指形电离室来讲，由于石墨室壁比塑料　室壁的能量响应好、性能稳定可靠，更适宜质子吸收　剂量的测量。　剩余深度Ｒｒｅｓ＜０．５ｇ／ｃｍ　，建议使用平板型电　离室作为质子束的参考剂量测量，而电离室参考点　为其入射窗的内表面几何中心，测量位置为模体关　注点。　２．２测量用模体　辐射剂量学领域，水被推荐作为标准物质使用。　因而，质子治疗装置输出参考剂量的测量，建议一定　２６一　使用水模体，水模体的四壁和所测量辐射束间距不　小于５　ｅｍ（包括模体的底部）。　对于测量水平辐射束用的有机玻璃（或聚苯乙　烯）水模体，射线入射窗厚度应在０．２　ｅｍ一０．５　ｅｍ　之间，当计算电离室在水中深度时，要考虑入射窗的　水等效厚度（ｇ／ｃｍ　），有机玻璃和纯聚苯乙烯的质　量密度推荐值分别为ｐ有机玻璃＝１．１９　ｇ／ｅｍ　、ｐ聚苯乙烯　１．０６　ｇ／ｃｍ。。　使用的不防水电离室在有机玻璃（或聚苯乙　烯）的水模体中测量时，水模体中的有机玻璃防水　套管厚度不得超过１．Ｏｍｍ，为避免防水套管的材料　或厚度给检定测量所带来的误差，计量部门对测量　质子的治疗水平电离室型剂量仪检定时，应使用与　用户相同材料与相同厚度的防水套管进行检定测　量。为使电离室空腔内的压力迅速与大气压力达到　平衡，电离室与有机玻璃防水套管之间应有０．１　ｍｍ　０．３　ｍｉｌｌ的间隙ｏ　３质子治疗装置的辐射质　“报告”建议选择剩余射程Ｒｒｅｓ作为其“辐射　质”品质的衡量指标，它的定义为：Ｒｒｅｓ＝Ｒｐ—Ｚ，其　中，Ｚ为测量深度（ｇ／ｃｍ　），　。为实际射程（ｇ／ｃｍ　），　尺。定义为超过Ｂｒａｇｇ峰或输出扩展的Ｂｒａｇｇ峰　（ＳＯＢＰ）最大值下降到１０％最大吸收剂量处的深　度。　Ｒｒｅｓ是通过测量深度剂量分布而得到的，测量　它的参考条件在表３中给出。　表３　测定质子辐射质Ｒｒｅｓ的参考条件　影响因素　参考值与参考特性　模体材料　水　电离室类型　圆柱或平板型电离室　平板电离室：前窗内表面中心，　电离室的参考点　圆柱型电离室：空腔体积的几何　中心　平板或圆柱型电离室测量点在　电离室的参考点的位置　感兴趣点　ＳＳＤ　临床正常治疗距离　１０ｃｍ×１０ｃｍ对小射野的应用　（如：眼部治疗）　模体表面射野尺寸　１０ｃｍ×１０ｃｍ或临床治疗应用最　大辐射野　４水吸收剂量的测量　“报告”建议利用电离室测量质子加速器参考　点水中吸收剂量，其ｉ贝４量参考条件如表４所列：　

维普资讯 http://www.cqvip.com 表４　测量吸收剂量的参考条件　影响因素　参考值与参考特性　模体材料　水　

Ｒｒｅｓ￣０．５ｇ／ｃｍ　：圆柱和平板电离室　电离室类型　Ｒｒｅｓ＜Ｏ．５ｇ／ｃｍ　：平板电离室　测量深度Ｚｒｅｆ　在展宽的Ｂｒａｇｇ（ＳＯＢＰ）峰中间　平板电离室：前窗内表面中心，　电离室参考点　圆柱型电离室：空腔体积的几何中心　

平板和园柱电离室测量点在Ｚｒｅｆ　电离室的参考点的位置　深度处　

ＳＳＤ　临床治疗距离　１０ｃｍ×１０ｃｍ最大输出因子归一　所使用的射野；对小射野的应用　模体表面射野尺寸　（如：眼部治疗）１０ｃｍ×１０ｃｍ或　临床治疗应用最大的辐射野　

质子辐射质为Ｑ，水中参考点无电离室时，水中　参考深度ｚ，ｅ厂处的吸收剂量为：　Ｄ　ｏ＝Ｍｏ．ＮｏＱｏ．Ｋｏ　Ｑｏ（１）　

式（１）中，　。为电离室在水中参考深度Ｚｒｅｆ的　剂量仪测量的“全修正”后的读数（“全修正”特指对　温度、大气压力、电离室的极化效应、离子复合及静　电计校正等全部的修正）；　．　．ｏ。为用户的剂量仪在　基标实验室的印ｃ。＾ｙ射线参考辐射束Ｑ。中依据水吸　收剂量检定的校正因子；　为辐射品质校正因子　（基标准实验室检定所使用的加ｃ。＾ｙ射线参考束的　辐射质Ｑ。与用户实际所应用的质子辐射束的辐射　质Ｑ不同所进行的修正）；Ｋ　Ｑｏ为辐射品质校正因　子可以如下公式进行计算得到：　（　．口　）Ｑ（Ｗａｉｒ／ｅ）Ｑ　ＰＱ　…　“　Ｑｏ一（Ｓｗ．ａｉｒ）Ｑ　（　）　ｏｎ　Ｗａｉｒ／ｅ　ＱＰ　

式（２）中，（　．口扣）。　为印Ｃ。　射线的水对空气　的组织本领比，其值为１．１３３；（　．口　）。为质子射　线的水对空气的组织本领比，其值可用公式（　．　ａｉｒ）ｏ＝口＋ｂＲｒｅｓ＋（ｃ／Ｒｒｅｓ）计算，式中，０＝１．１３７，　ｂ＝一４．３×１０一　，ｃ＝１．８４×１０一　；（Ｗａｉｒ／ｅ）ｏ　为高冉色　光子（印Ｃｏｙ射线）在干燥空气中产生一个每对离子　所消耗的能量，（Ｗａｉｒ／ｅ）Ｑｏ＝３３．９７Ｊ／Ｇ；（Ｗａｉｒ／ｅ）ｏ　为质子射线在干燥空气中产生每对离子所消耗的能　量，（Ｗａｉｒ／ｅ）ｏ＝３４．２３Ｊ／Ｃ；Ｐｐ　为在印Ｃｏｙ射线辐射　

的水模体内所关心的测量点上，由于测量电离室的　存在，对印ｃ。ｙ射线的注量产生的影响所引进的扰动　修正因子；　为在质子射线辐射的水模体内所关心　的测量点上，由于测量电离室的存在，对质子射线的　注量产生影响所引进的扰动修正因子，Ｐ。＝１．０００。　５质子检定系统的简介　为保证量值的统一与可靠，每个国家都建立相　应国家级剂量基准与标准装置负责对现场工作级剂　量仪进行校准与检定，使现场工作级剂量仪所测量　的吸收剂量值能追溯到国家基准，并与国际量值保　持统一。　由于质子辐射源价格昂贵（需几亿人民币），应　用面小（国际上仅有２０多个质子治疗中心），所以　至今国际上还没有一个国家级标准实验室建立质子　吸收剂量的基标准装置。　基于量值统一等因素考虑，美国医学物理家协会　（ＡＡＰＭ）的１６号报告（１９８６年）　，ＩＣＲＵ第５９号报　告（１９９８年）　和ＩＡＥＡ的３９８号报告（２０００年）中推　荐测量质子辐射束的剂量仪在印Ｃ。ｙ射线辐射中依据　空气比释动能』、，　、空气吸收剂量　或水吸收剂量　Ⅳｎ　ｏ。来检定。这是一种间接替代的校准方法，由于　这种校准还需转换，该过程必然会带来一定的误差。　目前欧洲、意大利等国家有关实验室已联手对质子吸　收剂量标准体系进行研究　。。，有望在近年研究出小　于１．０％的质子吸收剂量绝对测量装置。　目前中国计量科学研究院对测量质子束的治疗　水平电离室型剂量仪，可以在印Ｃ。　射线中依据空气　比释动能（Ｎｋ）或空气吸收剂量（　）进行校准，由　于在ＩＡＥＡ的３９８号报告中给出』、，ｎ　．ｏ。与　之间　的关系如下：　Ⅳｎ　Ｑｏ：ＮＤ　，·（Ｓｗ．ａｉｒ）Ｑ０ＰＱ０　（３）　所以我国可以利用ＩＡＥＡ的３９８号报告中推荐　的方法测量质子束在水中的吸收剂量。　６结论　质子治疗与其吸收剂量的测量在国内尚属起步　阶段，应引起医疗和计量部门的足够重视，为使质子　治疗装置能安全运行，我们建议如下：　１）在质子治疗装置验收与投入临床治疗使用　前，应对它的辐射场均匀性、对称性、光野与射野的　重合性、辐射质及剂量深度分布等剂量学参数进行　严格测量，在今后的运行中，每年也应由计量监督部　门定期对其技术指标进行校准；　２）对质子加速器的输出剂量（ＭＵ），在每次辐　射治疗前，都应用常规电离室剂量仪校准一次。而　电离室剂量仪每年应定期在计量监督部门校准；　３）借鉴国外质子治疗中心的经验，开展质子治　疗的医院，应根据自己医院加速器的具体情况制定　相应的质子临床治疗和设备的技术规范。　参考文献：　［１］Ｒ．Ｒ．Ｗｉｌｓｏｎ　ｅｔ，Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ，４７（１９４６），４８７．　『２］　ｓｉｓｔｅｒｓｏｎ　ＪＮ．Ｃｌｉｎｉｃａｌｕｓｅ　ｏｆ　ｐｒｏｔｏｎｓ　（下转第２４页）　２　７一