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编号:10267186
医用电离辐射物理剂量学的进展
http://www.100md.com 《中华放射医学与防护杂志》 1999年第3期
     作者:李开宝 罗素明

    单位:李开宝 罗素明 北京,卫生部工业卫生实验所 100088

    关键词:

    中华放射医学与防护杂志990306 放射诊断和治疗的发展不仅表现在设备总数的增加,还表现在设备的现代化和应用技术的现 代化。例如,90年代诊断放射学已发展到远程放射学,应用图像存储和传输(PACS)技术;放 射治疗中适形治疗技术已逐步完善发展了实时验证系统。现代设备和技术的应用对辐射剂量学提出了新的更高的要求,促进了辐射剂量学的发展。本文概要综述放射治疗剂量学和放射诊断剂量学的发展概况。

    放射治疗剂量学

    按照对病人实施照射的方式和技术特点,放射治疗可分为远距离治疗(Teletherapy)、近距 离治疗(Brachytherapy)、放射性核素治疗(Radionuclide therapy)以及其他特殊技术治疗 ,例如立体定向放射治疗(Stereotactic radiosurgery, SRS),中子和重粒子治疗等。远距离治疗是放射治疗的主要方式,它是利用射线装置和密封核素源产生的外部光子和电子束对病人靶区进行照射。近距离治疗是放射治疗的第二位照射方式,它是把密封核素源置于病人自然体腔或组织间隙,对其临近靶区进行照射。放射性核素(非密封)治疗的照射范围是人体的特殊器官或区域。SRS治疗的病灶范围很小,一般为毫米量级。由于照射方式和技术特点不同,剂量学方法和技术也各有特点。
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    1.远距离治疗剂量学

    (1) 剂量测量程序的进展

    为了规范放射治疗剂量测量的程序,1984年国家计量局(现为国家质量技术监督局)和卫生部 联合发布了《关于肿瘤放射治疗剂量学的若干规定》,这个《规定》的基本内容是参照1973年出版的ICRU第23号报告。随着辐射剂量学的发展,1987年,IAEA出版了一个放疗剂量测量的国际实用准则,即TRS 277号报告《光子和电子束吸收剂量的测定》[1]。这个报告推荐了使用圆柱形空腔电离室测定外照射线束的方法和程序,覆盖的能量范围为100~300kV的中能X射线;平均能量大于或等于0.66 MeV的高能光子束和5~50 MeV的高能电子束 。 这个实用准则已在IAEA/WHO二级标准剂量学实验室(SSDL)网成员实验室和一些国家,特别是 欧洲国家中应用。1992年IAEA成立了一个工作组对TRS 277号报告进行了复审。并于1997年出版了277号报告的修订本[ 2],对原报告中的某些数值资料(例如中能X射线的扰动修正Pu值等)进行了修正。与此同时这个任务组着手编写了一个新的剂量学实用准则《高能电子和光子束测量中平行板电离室 的使用》,即1997年出版的IAEA TRS 381号报告[3]。这个报告推荐平行板电离室 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光子、电子束相对剂量测量。 因此,TRS 381是TRS 277的扩展和更新,它反映了基础放疗剂量学的新进展。
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    在我国,虽然曾组织过关于TRS 277报告的培训班,但范围很小,因此实际应用的不多,特 别是医院仍然使用1984年发布的《规定》。主要的问题是我国尚未出台一个代替《规定》的新的放疗剂量学准则,虽然这项工作还在进行中。

    (2) 放疗剂量学的质量保证

    多年来人们已达成共识,成功的放射治疗取决于对病人靶区实施准确、一致的高剂量照射, 同时尽可能减少对健康组织的照射。要达到这个目标,必须对从剂量仪的使用和校准到实施病人照射的各个环节实行剂量学质量保证(QA)。剂量学的QA就是为达到上述目标所进行的使所有有关程序实现标准化的一切活动。剂量学的质量控制(QC)则是对剂量学的各个环节进行实际的性能测量,如偏离标准,采取必要措施使之符合标准要求。如果QC的测量是由与被核查主体完全无关的局外人完成,这种活动称质量核查(quality audit)。例如IAEA/WHO组织 的国际TLD邮寄比对活动,目的是核查医院的剂量校准程序。
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    国际上放疗剂量学QC大致分4个发展阶段(或4个水平):

    ①第一阶段:利用简单的模体(水模或固体模)和TLD核查在参考照射条件下(例如对 6 0Co机,SSD=80 cm,照射野10 cm×10 cm,水下5 cm深处)机器输出量的校准和射束线质(D20×D20)[5,6]

    ②第二阶段:利用多用途模体(水模或固体模)和TLD或胶片剂量计核查临床剂量学基本数据 ,诸如参考点剂量、中心束轴深部剂量、束对称、离轴比和楔穿透等[7,8]

    ③第三阶段:利用人体剂量学方法(in vivo dosimetry)验证个体病人的某些位置处实际接 受的治疗剂量值是否偏离预定的数值[9]。所谓人体剂量学就是把剂量计置于病人皮肤上或自然体腔内进行剂量测量的方法。目前用于人体剂量学的剂量计主要是TLD,二极管半导体探测器和金属氧化物场效应管(MOSFET),正在发展的新探测器主要是有机闪烁探测器和金刚石探测器,它们具有更优越的剂量学性能。
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    ④第四阶段:利用过渡剂量学(transit dosimetry)方法验证病人在实施照射过程中所接受 的实际剂量的分布。所谓过渡剂量学就是通过对穿透病人的透射辐射的测量来测定病人实际剂量的分布[10]。它是适形放射治疗(conformal therapy)中非常重要的技术。 适形治疗是90年代发展起来的新的治疗方法,要求选定的治疗剂量分布与靶体积的形状一致。过渡剂量学的关键技术是利用电子门电路成像装置(FPID)[11,12]。主要的技术方法为:一是利用金属板磷光屏把透射光子强度转变为光影像,然后通过一个电荷耦 合 照相机来观察荧光屏;二是通过矩阵探测器(二极管半导体探测器或有机闪烁探测器)对透 射 辐射进行扫描测量;三是利用液体矩阵电离室。过渡剂量学方法与利用半导体二极管作为探 测器的人体剂量学方法相比有以下优点[13]:获得的是三维剂量资料而不是一 个 或几个剂量点;给出进行中实时剂量学资料而不增加病人治疗时间;探测器与病人无物理接 触。

    我国远距离治疗剂量学的QC工作起始于1983年,目前基本上处于国际QC工作的第一阶段。第 二、三阶段的技术方法国内虽已开始研究,实际应用尚需一段时间。
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    2. 近距离治疗剂量学

    (1)源强的表示方法

    近距离治疗剂量学中使用的源强表示方法多年来几经变化:最早是镭质量,单位是毫克镭; 后来由于源种类增加,变成镭当量,单位是毫克镭当量;由于源外壳减弱了空 气比释动能率,又使用表观活度(apparent activity);但两个表观活度相同的源由于包装结构不同,可能产生不同的剂量分布,最后ICRU[14]推荐使用参考空气比释动能率(reference air kerma rate)来表示近距离治疗源的强度。目前,这个量在国际上逐步广泛地被采用。 参考空气比释动能率定义为在参考距离1 m处在空气中测量的并经过空气衰减和散射修正的比释动能率,它的单位是Gy.h-1或μGy.h-1。在实际应用中,经常使用空气比 释动能常数这个量,它的定义为单位活度在1 m处空气中的比释动能率,它的单位是Gy.s -1.Bq-1
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    (2)近距离治疗源的校准

    近距离治疗源的校准非常重要,因为源强是制定治疗剂量计划的依据。目前国际上较多使用 的近距离治疗源是137Cs,60Co,125I和 192Ir等。在我国,近距离治疗主要使用192Ir高剂量率(HDR)后 装机 ,而且已国产化。但由于192Ir半衰期短(约74天)和能谱复杂等原因,至今国际上还没有一个基准剂量学实验室(PSDL)能够提供对标称值为370 GBq(10Ci)192Ir源的直接校准方法[15]。由于目前国际上和国内使用的192Ir HDR后装机 的源强的标称值均为这个数值,一些学术团体推荐以下两种方法,对192 Ir源进行间接校准[16,17]:①使用内插法。通过一个Farmer型电离对 60Co,137Cs 和250 kV X射线的校准因子的内插求得这个电离室的 19 2Ir校准因子(192Ir照射量计权有效能量为0.397 MeV)。②使用阱型电离室 。 例如IAEA推荐使用的HDR-1000型,与此连机的静电计为CDX-2000A型。这种方法比较 简便。
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    (3)近距离治疗剂量学的质量控制

    获得近距离治疗剂量学资料的基本方法是根据准确的源强进行理论计算[18]。国 际上近距离治疗剂量学QC大概包括以下几个方面:①源强校准检查。由于192Ir 源 半衰期短,换源频繁,一般每季度需换源一次。按AAPM要求[19],每个用户应配 备一个阱型电离室。这个电离室要经过认定实验室的校准,而且要进行内部的长期稳定性监 测。多数生产厂家,给出的源强误差范围很大(例如在美国为±10%)。这个误差范围作为放 射源运输和防护还可以接受,但作为治疗,将对病人带来明显影响。AAPM要求生产厂家给出 的源强与用户检验结果应在±3%内符合。如超过±3%,应找出原因;如大于±5%,应要求厂 家检查其出厂时的校准程序,并帮助解决差异。②利用QC工具检查HDR的重要参数。HDR后装系统对病人实施准确的剂量照射取决于准确的源强,精确的照射时间和精确的源居 留位置。这是用户进行QC的周期性和常规检查的主要内容。80年代多使用胶片、机械尺子、 摄像监视器和秒表等来检查上述参数,既废时又不精确。90年代发展起来的QC检测工具可以 方便地完成HDR重要参数的检查[20,21]。目前已有商品化的QC工具,例如:H DR-1000QC装置,可用于检验源位置(精确到0.3 mm)、计时器精度和源强度,只需10~ 1 5分钟。Luthmann HDR QC装置,可用于确定源末端距离,检验源步进器准确度;另外可 用 于HDR源位置常规检验,模拟源的精确位置检验以及新机器的验收检验。③HDR后装机的实际 剂量测量。为了验证治疗计划,不少作者[22,23]报道了用LiF、二极管半导体探测器和F armer型微型电离室测量了在水模体(或固体模)中192Ir剂量分布(横向距离从几 个mm到10 cm)并与Monte Carlo方法计算结果相比较。除了上述QC措施外,还可以对治疗 过程 中病人的实时剂量进行测量[24]。目前AAPM第59工作组正在起草关于针对HDR近 距离治疗中剂量学QA的指导性技术报告[19]
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    我国近距离治疗剂量学QA工作相对远距离治疗开展较晚,近年来通过与IAEA研究和技术合作 ,引进了一些QC检测工具,预计在今后几年中将逐步推广使用。

    3. 立体定向放射治疗剂量学

    立体定向放射治疗(SRS),俗称X 刀、γ刀治疗。它是通过立体聚焦装置限定小的辐射束给 病人病灶区施行一次(或多次)性大剂量照射而且临近健康组织不产生大的损伤。与常规放射治 疗相比,SRS的小野照射给剂量测量带来一定的困难。主要的困难是在窄束场中存在侧向电子不平衡现象和很陡的剂量梯度[25]。目前绝对剂量测量是采用空腔电离室法, 而灵敏体积愈小,结果愈可靠。作为相对剂量测量,诸如深部剂量曲线,离轴分布,准直器输出因子,TMR等,通常使用TLD、二极管探测器、胶片(MD-55)、金刚石和液体电离室。理论方法是Monte Carlo计算。由于上面提到的小野照射的剂量学特点,对探测器性能提出了更严格的要求。有的作者[25,26]报道了使用上述方法的实验比较结果,表明金刚石和液体电离室由于它们接近组织等效,好的方向性和空间分辨率等突出优点,更适用SRS的相对剂量测量,特别是液体电离室经校准后可进行绝对剂量测量。目前国际上仍使用空腔电离室进行绝对剂量测量,但要求小的灵敏体积,例如,灵敏体积为0.05 cm3的商品电离室。但测量的射野大小有局限性,当射束直径小于3 cm时,测量结果可能产生失真。目前EPID技术也在应用于SRS,例如用于验证病人病灶中心和射束中心的准直[27]
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    4. 放射性核素治疗剂量学

    目前用于临床上癌症治疗的放射性核素,主要是131I、32P、 8 9Sr和153Sm等十多种核素。核素治疗需要详细的剂量学资料,以便在治疗效果 与正常组织防护上提出一个平衡方案。 核素治疗的剂量学方法取决于核素的种类和靶区大小。根据能量沉积的范围,核素剂量学大概可划分为[28]

    (1)器官(宏观)水平:在这个水平(线性几何尺寸大于1 cm)剂量计算的基本方法是基于1968 年 医学内辐射剂量(MIRD)委员会推荐的方法和其后发表的一系列补充报告。近期有的作者 [29]报道了使用一种新的计算方法计算了125I、131I、 153Sm和99mTc等14种核素γ辐射在水介质中的吸收剂量。
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    (2)半微观(毫米)水平:这个水平主要是使用β粒子和α粒子发射体治疗非常小的肿瘤。各种研究已提出了β和α粒 子能量沉积的资料,主要的剂量学方法是数值法、分析法和Monte Carlo法。

    (3)细胞水平(微剂量学):在这个水平一般考虑能量沉积范围相当于细胞核大小。当核素分 布 是非均匀的,微剂量学方法最适用于α粒子和Auger电子发射核素,但微剂量学方法所得到的结果很难直接应用于临床治疗目的。有的作者[30,31]报道了0.1 ke V到1 M eV的单能电子和3~10 MeV α粒子在细胞半径3~10 μm和细胞核半径1~9 μm范围内 剂量学资料。

    (4)DNA(纳米)水平:这个水平主要考虑α粒子和Auger电子对DNA损伤。DNA水平的微剂量 学研 究,促进了径迹结构Monte Carlo计算理论的发展,有的作者[32]已报道了在1~ 100 nm直径的靶体积内能量沉积绝对频率分布的Monte Carlo计算结果并与RBE联系起来 。这方面的研究已逐渐从简单的圆柱或球形模型向实际的DNA体积过渡。
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    从总的情况来看,虽然剂量计算本身的准确度在不断改进。但应用到临床实际,特别是针对 个体病人还有很多问题。这是因为源的实际分布和靶分布在很多情况下是不明确的,估计的靶大小和几何形状可能造成剂量估算中的很大误差。例如,对一个简单的球形肿瘤模式,估计的肿瘤直径存在10%的误差,可引起剂量估算的30%的误差[28]

    放射诊断剂量学

    1.诊断剂量学中使用的量和剂量计

    对个别病人诊断剂量的表达,最合适的量是人体器官或组织的吸收剂量,但这种表示方法 一 般很难实现。有效剂量是人体受照的方便表示方法,可用来评价随机效应,但UNSCEAR 使用有 效剂量的目的在于对不同诊断类型的诊断剂量水平在世界范围内进行比较,而不是打算用这 个量 对人的辐射影响进行评价。从辐射防护的角度考虑,测量诊断剂量的目的在于把测量结果与 参考水平(指导水平)相比较,来评价通过质量保证措施所达到的剂量减少的程度[33 ]。根据X射线诊断程序的特点,诊断剂量学大致包括以下几个方面:
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    (1)常规X射线摄影和透视:在这些常规检查中,人体的不同部位受到照射,造成复杂的能 量 沉积分布,很难直接对器官或组织剂量进行测量与评价。在实际情况下,推荐使用的直接可 测量量是病人入射表面剂量(ESD),它包含人体反散射的贡献。另一个量是剂量面积乘积(DA P)[33,34]。这些量通常作为QA计划的一部分而进行测量。在一定条件下,这些量 可通过转换系数得到器官吸收剂量或有效剂量。转换系数可使用仿人体模型实际测量得到 [35],也可以使用一个数学模型用Monte Carlo方法计算得到[36]。从E SD转换成有效剂量取决于X射线辐射场的大小,X射线投射距离和X射线的线质等因素。通常 使用TLD测量ESD;使用剂量面积乘积仪测量DAP,它是由一个大面积平行板穿透电离室和与 之相连接的静电计组成。

    (2)CT检查:CT检查不同于常规X射线摄影和透视检查,它是利用旋转束对病人的不同截面进 行扫描。对单次扫描,推荐使用的剂量学量是CT剂量指数(CTDI),可在自由空气中或均匀CT模型中进行测量。对多次扫描,推荐使用多次扫描平均剂量(MSAD)[37]。根据CTDI和MSAD测量结果可通过转换系数得到病人的器官剂量和有效剂量。正在发展中的与CTDI有关的剂量学量有剂量-面积乘积和剂量-长度乘积[38],可用来评价有效剂量 。CT剂量学中使用的剂量计一般为TLD和电离室(CT电离室)。
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    (3)乳腺检查和介入检查:乳腺检查也涉及到特殊的照射条件,一般使用乳腺组织平均剂量 ,这个量可根据标准乳房厚度利用归一化比释动能系数推导出来。乳腺剂量也可采用直接测 量ESD得到[39]

    在介入放射学程序中,病人局部皮肤剂量很大,有可能出现潜在的确定性效应。皮肤剂量的 确定,可以通过计算方法[40],也可使用TLD[41]直接测量。

    2. 剂量仪(计)的校准

    在X射线诊断放射学中,使用的管电压范围一般为25~150 kV。用于乳腺检查的管电压为25 ~ 35 kV;常规X射线检查为50~150 kV。鉴于诊断放射学QA计划在很多国家中广泛开展 , 定量的剂量测量已变得非常重要。为了保证剂量仪(计)测量结果的准确度和一致性,使用的各种剂量仪(计)必须进行校准。但就总的情况而言,对诊断放射剂量学,目前国际上尚未建立起完整的量值传递体系,甚至对用于仪器校准的标准辐射线质也未形成公认的一致意见[42]。国际电工委员会(IEC)分委员会62C成立了一个工作组(WGS)正在拟定关于放射 学中使用的电离室剂量仪的校准程序,但尚未见到正式发表的技术报告。这个报告是由德国 PTB负责起草,由欧洲共同体资助。PTB曾组织欧洲19个国家进行诊断剂量学剂量仪的比对活 动,参考值由PTB提供,比对辐射的线质列于表1和表2[43]
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    表1 用于常规诊断剂量学仪器 测量比对的辐射线质 管电压

    (kV)

    过滤

    (mm Al)

    第一半值层

    (mm Al)

    能量

    (keV)

    非减弱射线束(相当于入射束)

    50

    2.5

    1.80
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    32.0

    70

    2.5

    2.45

    39.2

    90

    2.5

    3.10

    46.0

    120/125

    2.5

    4.30

    54.3
, 百拇医药
    140/150

    2.5

    5.40

    64.5

    减弱射线束(相当于透射束)

    50

    12.5

    3.40

    38.8

    70

    23.5

    6.20

    51.8
, 百拇医药
    90

    32.5

    9.00

    62.9

    120/125

    42.5

    11.50

    76.9

    140/150

    50.0

    12.90

    92.5

    表2 用于乳腺检查剂量测量仪测量比 对的辐射线质 管电压
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    (kV)

    过滤

    (mm Al)

    第一半值层

    (mm Al)

    能量

    (keV)

    非减弱射线束(相当于入射束)

    25

    0.03 Al

    0.282

    14.2

    30
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    0.03 Al

    0.337

    15.0

    35

    0.03 Al

    0.374

    15.6

    减弱射线束(相当于透射束)

    25

    0.03 Mo+2.0 Al

    0.580

    18.2

, 百拇医药     30

    0.03 Mo+2.0 Al

    0.670

    19.1

    35

    0.03 Mo+2.0 Al

    0.749

    20.0

    比对校准中使用的量是空气比释动能。对现场使用的面积-剂量乘积仪,校准因子的总不确 定度≤10%(95%置信水平)。除了电离室型剂量仪外,经常使用TLD测量入射表面剂量,按照NRPB(英国国家辐射防护委员会)推荐的校准程序,总不确定度为≤25%(95% 置信水平)[44]。在这个校准程序中,用于校准的辐射线质为80kV,总过滤为3 .0 mmAl。
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    (收稿:1998-09-21 修回1998-11-15), 百拇医药