CN107450090A - 辐射剂量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一方面的目的在于提供一种在中子与伽马混合辐射场测量剂量分布的方法；本发明的另一方面的目的在于提供一种可用于测量中子与伽马混合辐射场的射束均匀度的方法。具体地，本发明的实施例提供一种辐射剂量测量方法，针对中子和伽马的混合辐射场，该平面剂量测量方法包括：通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤和解析中子剂量的步骤。能够有效测量中子及伽马的剂量，能够应用于射束测量与治疗计划验证，提升治疗质量。

Description

辐射剂量测量方法
技术领域
本发明涉及一种剂量测量方法，尤其涉及一种辐射剂量测量方法。
背景技术
辐射不但与日常生活息息相关且无所不在，天然环境中即含有宇宙射线与地表辐射统称为天然环境背景辐射，其会依地形与地质变化。除天然背景辐射之外，人为因素所造成的辐射来源有各种辐射对民生的应用，以放射诊断、放射治疗与核子医学的医疗辐射应用最为常见。
放射治疗的原理主要是利用高能辐射-通常为间接游离辐射，与肿瘤细胞发生作用时使得肿瘤细胞被游离或激发而产生有毒自由基，进而造成细胞伤害，又或以直接游离辐射所释放的辐射能量造成癌细胞的脱氧核醣核酸发生单股或是双股螺旋断键。在治疗处方剂量方面，则由复杂的治疗计划，详细评估恶性肿瘤及正常组织所接受的辐射剂量，医师得以确认治疗的可行性及预期的治疗效果。当治疗团队确认此治疗计划后，此治疗计划的照射参数将被传送到治疗仪器，配合定期的射束质量保证作业，以确定病患所接受的剂量与治疗计划处方剂量之差异小于临床治疗可容许的误差范围内；病患在经过一系列照射后完成治疗。放射治疗的原理是以辐射生物学的辐射伤害理论为基础，而由辐射剂量组织体积曲线可知，曲线中段为斜率最大处，若此处剂量改变5％，可影响肿瘤控制率10％～20％，将可能造成正常组织产生并发症机率变化高达20％～30％。因此放射治疗时最重要的环节是给予正确的处方剂量。
现代医用放射治疗设备多为高能电子直线加速器，如高能X光治疗机；除此之外，质子治疗、碳离子治疗等重荷电粒子放射治疗技术也正开始蓬勃发展，在显示放射治疗技术确实可作为对抗恶性肿瘤的利器。因此，放射治疗技术需配合更审慎的品保措施及剂量验证规划，才能确保病人的治疗质量。
但是当面临多种辐射组成的混合辐射场时，以硼中子捕获治疗系统产生的中子和伽马混合辐射场为例(并不局限于此)。硼中子捕获治疗射束的剂量测量为临床治疗时的重要议题，其困难之处在于必须能有效区分不同辐射所造成的剂量，目前常见的测量工具如成对游离腔与热发光剂量计无法于短时间内对大范围进行剂量测量。然而实务上在放射治疗射束质量保证或治疗计划验证时，必须通过二维平面剂量分布方可彻底对射束特性及治疗计划质量做全面性的评估。因此，有必要提出一种针对混合辐射场提出的辐射剂量测量方法。
发明内容
本发明一方面的目的在于提供一种在中子与伽马混合辐射场测量剂量分布的方法；本发明的另一方面的目的在于提供一种可用于测量中子与伽马混合辐射场的射束均匀度的方法。具体地，本发明的实施例提供一种辐射剂量测量方法，针对中子和伽马的混合辐射场，该辐射剂量测量方法包括：通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤和解析中子剂量的步骤。能够有效测量中子及伽马的剂量，能够应用于射束测量与治疗计划验证，提升治疗质量。
进一步地，剂量计选用胶片剂量计或热发光剂量计或丙氨酸剂量计或凝胶剂量计中的一种。当然，本领域技术人员熟知地，能够测量获得中子及伽马总剂量的剂量计并不局限于上述举例。如果选用胶片剂量计，则能够测量二维平面剂量；如果选用热发光剂量计或丙氨酸剂量计时，则可以由多个单一的剂量计组成平面，从而能够解析中子的二维平面剂量；如果选用凝胶剂量计，则能够解析中子的三维剂量。因此，选用的剂量计并不限于是单点剂量计、平面剂量计还是三维剂量计，并且测量到的剂量也并不局限于测量的是二维平面剂量还是三维剂量。
另外，剂量计也可采用主动式的充气式探测器，如采用充气式探测器结构为基底的有He-3比例计数器、BF3比例计数器、分裂游离室、硼电离室；剂量计还可采用闪烁探测头和半导体探测头。而闪烁探测头则可以分为有机与无机材料，对于侦检热中子用途，其闪烁探测头多添加Li或B等高热中子捕获截面元素。简而言之，此类侦检器探测的中子能量多为热中子，皆为倚靠元素与中子发生捕获或核裂变反应所释出的重荷电粒子及核裂变碎片，于电离室内产生大量电离对(ion pair)，这些电荷被收集后，经过适当的电路转换，便可将电流信号转为电压脉冲信号。透过分析电压脉冲的大小，则可以轻易地分辨出中子信号及γ信号。在高强度中子场中，如BNCT，则可以适当地减少电离室的气体压力、可裂材或硼涂布的浓度或闪烁探测头内高中子捕获截面元素的浓度，便可以有效降低其对中子的灵敏度。
进一步地，解析中子剂量的步骤包括计算获得剂量计中心区域的中子剂量的步骤；以剂量计光密度的中子相对效应修正剂量计对中子的侦测效率的步骤和解析中子强度分布的步骤。通过获得剂量计中心区域的中子剂量，并以剂量计光密度的中子相对效应修正剂量计对中子的侦测效率之后，再乘以剂量计的中子强度分布，则可解析出剂量计中的中子剂量。
优选地，通过蒙特卡罗方法计算获得剂量计中心区域的中子剂量。蒙特卡罗方法是目前能够对辐照目标内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确模拟的工具，蒙特卡罗计算中应详尽仿真胶片各层化学元素比例与几何结构，此可由胶片制造商提供。
进一步地，通过辐射照射转换材以获得中子强度分布的步骤。从而通过测量手段获知剂量计在中心区域之外的中子强度分布情况。
优选地，所述转换材经中子活化而释放的辐射由数位影像板记录以测量中子强度分布。所述转换材选用天然金属铜片。
进一步地，所述辐射剂量测量方法针对用于中子捕获治疗系统中的中子和伽马混合辐射场。
进一步地，也可利用剂量计进行间接的辐射剂量测量。即通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤为通过剂量计间接测量获得中子和伽马总剂量的步骤。
附图说明
图1是本发明一实施例中将剂量计置于混合辐射场照射的平面示意图。
图2是本发明一实施例中的平面剂量测量方法的流程示意图。
图3是本发明一实施例中使用的胶片剂量计的平面示意图。
图4是本发明一实施例中使用的中子转换材和数字影像板的平面示意图。
图5是63Cu的中子作用截面图。
图6是本发明一实施例中使用的胶片剂量计的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以针对用于中子捕获治疗系统中的中子和伽马混合辐射场的辐射剂量测量方法作为本发明的优选实施例。当然，本领域技术人员熟知的，混合辐射场可以是其他放射治疗手段产生的中子和伽马的混合辐射场，也可以是其他放射治疗手段产生的中子和其他射线的混合辐射场。因此，本发明一方面的目的在于提供一种将中子与其他辐射线存在的混合辐射场中的中子剂量与其他辐射线的剂量分离开，可有效测量中子及其他辐射线的平面剂量，尤其是中子及伽马射线的平面剂量，将可应用于射束测量与治疗计划验证，提升治疗质量。下面首先简单介绍一下中子捕获治疗，尤其是硼中子捕获治疗。
中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，供应硼中子捕获治疗的中子可以由核反应堆或加速器供应。本发明的实施例以加速器硼中子捕获治疗为例，加速器硼中子捕获治疗的基本组件通常包括用于对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速的加速器、靶材与热移除系统和射束整形体，其中加速带电粒子与金属靶材作用产生中子，依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有7Li(p,n)7Be及9Be(p,n)9B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。
硼中子捕获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(10B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由10B(n,α)7Li中子捕获及核分裂反应产生4He和7Li两个重荷电粒子，这两个重荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特征，α粒子的线性能量转移与射程分别为150keV/μm、8μm，而7Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
下面将主要介绍一下在中子与伽马混合辐射场的情况下如何进行辐射剂量测量。
请参照图1，其为将剂量计置于混合辐射场照射的平面示意图。混合辐射场10存在有中子与伽马两种混合的放射线射线，将剂量计30置于载体20中。该载体20可以由多种形状或材料制成，本实施例中采用30×30×30cm3的亚克力材料制成。当然本领域技术人员熟知的，载体也可以由其他材料或形状制成。本实施例中选用胶片剂量计，用以对混合辐射场的剂量进行二维平面剂量量测。当然，本领域技术人员熟知的，剂量计可以为任何一种能够测量获得中子及伽马总剂量的剂量计，如剂量计也可以选用热发光剂量计或丙氨酸剂量计或凝胶剂量计中的一种。如果选用热发光剂量计或丙氨酸剂量计时，则可以由多个单一的剂量计组成平面，从而能够解析中子的二维平面剂量；如果选用凝胶剂量计，则能够解析中子的三维剂量。因此，选用的剂量计并不限于是单点剂量计、平面剂量计还是三维剂量计，并且测量到的剂量也并不局限于测量的是二维平面剂量还是三维剂量。
请参照图2，其为本实施例中的平面剂量测量方法的流程示意图。该实施例中的平面剂量测量方法主要包括如下步骤：解析胶片剂量计测量获得的中子剂量的步骤和通过胶片剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤。即实现了胶片中中子和伽马剂量分离。而其中解析胶片剂量计测量获得的中子剂量的步骤主要包括：蒙特卡罗方法计算获得胶片剂量计中心区域的中子剂量的步骤、获知胶片剂量计中子敏感度的步骤，即以胶片剂量计光密度的中子相对效应修正剂量计对中子的侦测效率的步骤以及解析中子强度分布的步骤。
剂量计的中心区域为能够通过蒙特卡罗方法计算获得剂量计该区域的中子剂量，如图3所示，以本实施例中使用的胶片剂量计30为例，其尺寸为20×20cm2，其中心区域Z位于胶片剂量计中心，其尺寸为2×3cm2。当然，本领域技术人员熟知地，也可以采用其他尺寸或其他区域作为中心区域。经推算，在该区域通过蒙特卡罗方法计算出的胶片剂量计的中子剂量与胶片剂量计的实际的中子剂量相当。因此，通过蒙特卡罗方法计算出的中子剂量可以作为胶片剂量计的实际测量的中子剂量。
获知胶片剂量计中子敏感度的步骤，即通过REn(剂量计光密度的中子相对效应)修正胶片剂量计对中子的侦测效率，该效率值可由Hsiao等人于2013年发表的文献提供[M.-C.Hsiao,Y.-H.Liu,W.-L.Chen,S.-H.Jiang,“Neutron Response of GafChromic EBT2Film”,58(5),1391-413Phys.Med.Biol.,2013.]，在此全文引入，以供参考。具体地，将在下文详述。
解析中子强度分布的步骤，即通过测量手段获知剂量计在中心区域之外的中子强度分布情况。具体地，将在下文详述。获知的中子强度分布乘以剂量计中心区域的中子剂量(经REn修正)，即可解析出剂量计中的中子剂量。再根据剂量计测量得出的中子和伽马的加权总剂量减去中子剂量即可获知伽马剂量。
下面将分步骤地详述本实施例中的辐射剂量测量方法。本领域技术人员熟知地，下文描述的步骤顺序仅是本实施例中使用的步骤顺序，并非用于限定本发明中的步骤顺序。
一、通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量
辐射染色胶片(胶片剂量计)可概论为一种利用特殊化学分子与待测辐射线作用，使该化学分子产生断键等能阶的变化，后产生聚合反应或其他可变色反应等，使胶片外观发生可观察的变色。透过变色的程度即可以推定待测辐射线之剂量。如图6所示，目前临床上常使用的辐射染色胶片为美国ISP公司所生产的External Beam Therapy 2(EBT2)胶片30，其依序由下而上包含基底层31、与基底层31连接的作用层32、与作用层32连接的表层33、与表层33连接的黏着层34及与黏着层34连接的顶层50。EBT2胶片30的结构及其成分比例，详见表一所示。
表一：EBT2胶片的结构及其成分比例
基于辐射染色胶片的高空间分辨率与良好的响应再现性，针对硼中子捕获治疗射束开发平面剂量测量技术。因辐射染色胶片经辐射照射后的回应可经剂量响应函数转换为吸收剂量，故可将辐射染色胶片经硼中子捕获治疗射束照射后产生的胶片响应OD列出如下公式(1)和公式(2)：
Dγ-Eq＝Dγ+REnDn 公式(2)
其中：
Dγ：胶片剂量计的伽马吸收剂量(单位：Gy)
Dn：胶片剂量计的中子吸收剂量(单位：Gy)
hγ’(D)：吸收剂量与光密度的微分校正函数
REn：胶片光密度的中子相对效应
Dγ-Eq：胶片剂量计的伽马吸收剂量和中子吸收剂量总和(单位：Gy)
因此，根据胶片剂量计的剂量响应函数hγ’(D)，将胶片剂量计上的响应OD转换成加权总剂量Dγ-Eq，在REn已经给定参考值或由上述文献计算获得的前提下，解析出中子剂量则能够分别解析出剂量计中的伽马吸收剂量和中子吸收剂量。
将EBT2胶片30置于一个30x 30x 30cm3的压克力假体，并将胶片30置于假体深度2cm与5cm，分别照射30分钟，EBT2胶片30的尺寸为20x 20cm2。利用硼中子捕获治疗射束照射辐射染色胶片30，用以测量置于假体预设深度的加权总剂量。照射后采用高阶彩色扫描仪计读胶片响应，扫描后文件类型储存为卷标影像格式，再利用图像处理程序读取特定光谱响应平均值并计算光密度，此处所提到的特定光谱主要即红、绿可见光，依照剂量范围选用适合光谱回应，本实施例中经照射地胶片均使其自显影约6小时，后以绿光计读胶片回应。
二、解析中子剂量
1、解析中子强度分布的步骤
选用对中子作用截面大的金属箔片当作转换材，由于中子与物质作用有其独特的截面(作用机率)，而此截面与能量相关，此部分需视感兴趣的中子能量与实用性而决定欲选用的转换材。转换材经中子活化而透过衰变释放的辐射，可利用数字影像板(imaging plate)或其他感光材料将其记录，此方式可完全排除硼中子捕获治疗混合辐射场的伴随伽马辐射造成的影响。利用数字影像板(或其他感光材料)搭配与胶片尺寸相同的中子活化转换材，即可测量剂量计的中子剂量相对分布。
如图1和图4-5所示，本实施例中选用天然金属铜片作为中子转换材40，63Cu丰度为69.17％，65Cu丰度为30.83％，与热中子作用后的主要两种反应为63Cu(n,γ)64Cu与65Cu(n,γ)66Cu，可透过中子活化产生不同核种的半衰期予以鉴别，64Cu的半衰期为12.71小时，66Cu的半衰期为5.1分钟，故只要在结束照射后给予转换材足够冷却时间，约10个半衰期后，使66Cu活度衰变至可忽略的范围，则数字影像板50在接受转换材曝露时的辐射潜像(latentimage)，即可视为皆由64Cu的活度贡献。
将转换材40置于一个30x 30x 30cm3的压克力假体，并将转换材置于假体深度2cm与5cm，分别照射30分钟，中子活化转换材尺寸为20x 20x 0.0125cm3，转换材经硼中子捕获治疗射束照射后所产生的放射活度由数字影像板50纪录，所纪录影像由自行编写的图像处理程序分析处理，从而得知中子强度分布。除了二维及等强度分布外，也可根据需求选取径向或轴向剖面分布曲线。
2、计算获得剂量计中心区域的中子剂量的步骤
蒙特卡罗方法是目前能够对辐照目标内部三维空间核粒子碰撞轨迹和能量分布进行精确模拟的工具，蒙特卡罗计算中应详尽仿真胶片各层化学元素比例与几何结构，此可由胶片制造商提供。在本实施例中，将上述使用的EBT2胶片30的元素比例及几何结构输入到计算机程序中进行模拟仿真，则可计算出在胶片30的中心区域Z处的中子剂量。
3、以剂量计光密度的中子相对效应修正剂量计对中子的侦测效率的步骤
本实施例中提及的REn值借用上述Hsiao等人文献中提及的REn值或者其计算方法，如表二所述，以供参考：
表二：距射束出口不同深度时的REn值
根据测量获得的胶片剂量计的中子和伽马加权总剂量减去胶片剂量计中获得的中子剂量，则可获得胶片剂量计中获得的伽马剂量。
以上利用了剂量计进行直接的辐射剂量测量，而本领域技术人员熟知地，也可利用剂量计进行间接的辐射剂量测量。间接游离辐射如中子与光子之剂量，主要是透过辐射在每单位质量物质所产生的动能造成，称其为克马(kinetic energy produced per unit mass,kerma)，因此，也可透过克马因子(kerma factor)转换，如公式(3)所示，进行不同材料的剂量转换，如胶片作用层转换至压克力假体。
Da/Db＝ΦFna/ΦFnb 公式(3)
其中：
Da：材料a的吸收剂量(单位：Gy)
Db：材料b的吸收剂量(单位：Gy)
Φ：中子通量(单位：neutrons/cm2)
Fna：材料a的克马因子
Fnb：材料b的克马因子
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，都在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种辐射剂量测量方法，针对中子和伽马的混合辐射场，其特征在于：所述辐射剂量测量方法包括：
通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤；
解析中子剂量的步骤。
2.根据权利要求1所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：剂量计选用胶片剂量计或热发光剂量计或丙氨酸剂量计或凝胶剂量计中的一种。
3.根据权利要求1所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：解析中子剂量的步骤包括计算获得剂量计中心区域的中子剂量的步骤；以剂量计光密度的中子相对效应修正剂量计对中子的侦测效率的步骤和解析中子强度分布的步骤。
4.根据权利要求3所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：通过蒙特卡罗方法计算获得剂量计中心区域的中子剂量。
5.根据权利要求3所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：通过辐射照射转换材以获得中子强度分布的步骤。
6.根据权利要求5所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：所述转换材经中子活化而释放的辐射由数位影像板记录以测量中子强度分布。
7.根据权利要求6所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：所述转换材为天然金属铜片。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：所述辐射剂量测量方法针对用于中子捕获治疗系统中的中子和伽马混合辐射场。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：通过剂量计测量获得中子和伽马总剂量的步骤为通过剂量计间接测量获得中子和伽马总剂量的步骤。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的辐射剂量测量方法，其特征在于：所述剂量计测量中子和伽马混合场的平面二维剂量或三维剂量。
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